Como a Temperatura Influencia o Módulo de Young de Nanofibras de Poliuretano Eletrofidas

Resumo

Nanofibras de poliuretano (PU) eletrofidas foram fabricadas e examinadas usando microscopia força atômica (AFM) para quantificar comportamento mecânico. Teste flexão três-pontos, realizado em fibras individuais, revelou módulo Young aproximadamente 25 GPa para fibras ~150 nm diâmetro a temperatura ambiente. Conforme diâmetro encolhia, módulo subia, atribuído a efeitos tensão superficial. Elevar temperatura produziu declínio linear no módulo enquanto morfologia fibrosa permaneceu intacta.

Introdução

Nanomateriais unidimensionais (1D) atraem atenção por propriedades distintas e aplicações diversas. Embora várias rotas fabricação existam, eletrofiação destaca-se por baixo custo, escalabilidade e capacidade produzir sub-micron fibras via afinamento jato eletrostático.

Poliuretano combina segmentos moles e duros ligados por ligações uretano; cadeias moles fornecem flexibilidade, cadeias duras conferem resistência. Sua dureza ajustável torna PU escolha popular em indústrias. Fibras PU eletrofidas mostram promessa em filtros ar alto desempenho, têxteis protetores, curativos feridas e sensores. Porém, propriedades mecânicas mal compreendidas, largamente porque teste nanoescala é desafiador. AFM emergiu como ferramenta prática para sondar elasticidade nanoestruturas 1D individuais, e método direto flexão três-pontos baseado AFM foi desenvolvido para medir módulo Young com alta precisão.

Neste estudo, preparamos nanofibras PU eletrofidas e usamos flexão três-pontos AFM para investigar como temperatura influencia seu módulo Young.

Métodos

Preparação Material

Elastômero poliuretano (Elastollan® 1180A10, BASF) dissolvido em mistura 1:1 N,N-dimetilformamida (DMF) e tetrahidrofurano (THF; Tianjin Hengxing Chemical Reagent Co., Ltd.). Solução agitada vigorosamente temperatura ambiente 12 h para garantir dissolução completa. Eletrofiação realizada com sistema comercial (Beijing Ucalery Technology Development Co., Ltd.). Alta tensão 9–10 kV aplicada entre fenda 13 cm bico e mandril rotativo aterrado. Fibras coletadas, secas vácuo durante noite remover solventes residuais, armazenadas dessecador antes testes.

Caracterização Física e Testes

Microscopia eletrônica varredura (SEM, JSM-6610LV) usada avaliar morfologia fibras. Termogravimetria e calorimetria diferencial varredura (TG/DSC) realizadas em TA Instruments SDT Q600 sob argônio. Módulo macroscópico membrana eletrofida medido com máquina ensaio universal Instron 5943. Para testes nanomecânicos, fibras depositadas em template silício com valas 2 µm largura, 3 µm profundidade; sonda esférica AFM 50 nm diâmetro (Bruker Nano) aplicou força centro vala. Constantes mola cantilever calibradas por afinação térmica, sensibilidade deflexão definida em referência safira. Cinco medições independentes por fibra médias. Análise elementos finitos (ANSYS 15.0) avaliou penetração ponta, confirmando deformação superfície fibra insignificante.

Resultados e Discussão

Imagens SEM mostram rede aleatória fibras variando algumas centenas nanômetros a vários micrômetros. Seções transversais AFM confirmam perfis laterais uniformes, diâmetro médio ~300 nm. Curvas TG/DSC mostram dois estágios degradação: perda peso menor 100–200 °C (água e voláteis) e perda pronunciada ~300 °C (decomposição polímero). Espectros FTIR exibem picos característicos PU 3320, 2960, 1710, 1530, 1220, 1110 e 777 cm⁻¹, confirmando integridade química fibras.

Na configuração flexão três-pontos, módulo Young (E) calculado usando:

E = FL³ / (192 dI), com F força ponto médio, L comprimento suspenso, d deflexão, e I = πr⁴/4. Teste satisfaz todas premissas (extremidades fixas, L≫r, d pequeno). Resultados FEM indicam penetração ponta <10% deformação, validando modelo elástico linear.

Gráfico módulo versus diâmetro revela clara dependência tamanho: 25 GPa a 150 nm, caindo ~5 GPa para fibras >300 nm. Tendência alinha-se relatórios outras nanofibras poliméricas e atribuída tensão superficial. Usando modelo tensão superficial, módulo intrínseco nanofibra PU ≈5,0 GPa, maior que PU bulk devido orientação cadeias durante eletrofiação. Membrana eletrofida exibe módulo baixo (~0,9 MPa) devido alta porosidade.

Medições dependentes temperatura mostram diminuição linear módulo 25°C–60°C para fibra 155 nm. Imagem AFM a 60°C confirma fibra permanece intacta, com leve aumento diâmetro (200→214 nm). Estes achados sugerem nanofibras PU mantêm estabilidade dimensional temperaturas moderadas e poderiam ser úteis em nanossensores e dispositivos responsivos temperatura.

Testes durabilidade (50 ciclos flexão fibra 215 nm) mostram módulo essencialmente inalterado, indicando resiliência mecânica robusta.

Conclusões

Medimos módulo Young nanofibras PU eletrofidas usando flexão três-pontos baseada AFM. Módulo sobe acentuadamente conforme diâmetro diminui, comportamento governado por tensão superficial. Temperatura induz declínio linear módulo entre 25°C e 60°C, ainda fibras preservam morfologia e suportam flexão repetida sem perda significativa rigidez.