High-throughput fabricage van hoogwaardige nanovezels met behulp van een gemodificeerd vrij oppervlak elektrospinning

Resultaten en discussie

Effect van toegepaste spanning op de PVA-nanovezels

De morfologieën van PVA-nanovezels verkregen met behulp van MFSE en BE werden respectievelijk uitgevoerd door SEM. SEM-afbeeldingen en de overeenkomstige diameterverdeling van nanovezels met verschillende toegepaste spanningen in het MFSE-proces werden getoond in Fig. 4a, en die van BE werden aangegeven in Fig. 4b. Wanneer de aangelegde spanning 30 kV was, was de gemiddelde diameter van nanovezels verkregen door MFSE 148 ± 8,53 nm en die van BE was 190 ± 8,26 nm. Men kon zien dat de door MFSE geproduceerde PVA-nanovezels fijner en homogener waren dan die van BE. En de diameterverdeling was homogener met de toename van de aangelegde spanning in het MFSE-proces.

SEM-afbeeldingen van PVA-nanovezels. een MFSE met verschillende toegepaste spanning, (a-1 30 kV, a-2 40 kV, a-3 50 kV, a-4 60 kV, a-5 70 kV);. b BE (30 kV). Inzet :een foto van het BE-proces. De juiste cijfers waren de overeenkomstige diameterverdeling

Figuren 5 en 6 tonen het effect van aangelegde spanning op de gemiddelde diameter en productie van de PVA-nanovezels bereid door MFSE. Het was duidelijk dat wanneer de aangelegde spanning lager was dan 30 kV, er zeer weinig jets werden gegenereerd omdat de elektrische kracht niet genoeg was om de oppervlaktespanning te overwinnen. Wanneer de aangelegde spanning echter 70 kV was, zou de geproduceerde elektrische kracht de opwaartse beweging van de jets snel versnellen. En de sterk versnelde opwaartse beweging zou de straal niet verder uitrekken tot kleinere vezels. Daarom nam met de toename van de aangelegde spanning in het MFSE-proces de gemiddelde diameter eerst af en nam vervolgens toe, en de productie nam toe. Het was duidelijk dat de aangelegde spanning een cruciale rol speelde in het MFSE-proces, dat rechtstreeks van invloed was op de productie van nanovezels.

Het effect van aangelegde spanning op de gemiddelde diameter

De productie met de verschillende toegepaste spanning met behulp van MFSE

Het oplossingsreservoir waarin een metalen elektrode was bevestigd, was echter gemaakt van polymeerbuizen in de BE-opstelling. De positieve pool van de stroomgenerator was verbonden met de metalen elektrode, wat leidde tot een lagere aangelegde spanning. Daarom was de productie van door BE bereide nanovezels slechts 3 g/u [24].

Effect van SDBS op de PVA-nanovezels

In het MFSE-proces zou de toevoeging van SDBS aan PVA-oplossing de oppervlaktespanning van de oplossing effectief kunnen verlagen en bellen op een vloeibaar oppervlak genereren. Tabel 1 toonde de verhoogde elektrische geleidbaarheid en verminderde oppervlaktespanning van de PVA-oplossingen met toevoeging van SDBS. Figuren 7 en 8 illustreerden SEM-afbeeldingen en de overeenkomstige diameterverdeling van nanovezels verkregen uit PVA-oplossing met 0,3 gew.% SDBS bij een aangelegde spanning van 60 kV met spintijd. Men kon zien dat de voordeeldiameter van nanovezels geproduceerd uit PVA-oplossing met 0,3 gew.% SDBS groter was dan die van nanovezels geproduceerd uit pure PVA-oplossing. En met de toename van de spintijd zorgde de MFSE ervoor dat de diameterverdeling van de PVA-nanovezels weinig veranderde, en de productie van de PVA-nanovezels was 12,5 g/u. De resultaten toonden aan dat de gegenereerde bubbels de diameter van de nanovezels zouden vergroten en de productie van nanovezels zouden verminderen. Het was waarschijnlijk vanwege de vorming van bellen, vervorming en verspilde energie die kon worden gebruikt om de straal verder uit te rekken tot kleinere vezels. Bovendien zou het energieverlies ervoor kunnen zorgen dat de geladen jets langzamer bewegen tijdens het MFSE-proces en dat de productie van nanovezels afneemt.

SEM-afbeeldingen van PVA-nanovezels bereid door MFSE op de verschillende spintijden (a-1 5 min, a-2 10 min, a-3 15 min, a-4 20 min, a-5 :25 min). De juiste cijfers waren de overeenkomstige diameterverdeling

Het effect van de spintijd op de gemiddelde diameter van PVA-nanovezels bereid door MFSE

De mechanische eigenschappen, zoals treksterkte en rek-bij-breuk, van PVA-nanovezelmembranen zonder en met SDBS werden getoond in Tabel 2. Men zag dat zowel de treksterkte als de rek-bij-breuk van nanovezelmembranen toenam met de toevoeging van SDBS. Dat betekende dat de toevoeging van SDBS de mechanische eigenschappen van PVA-nanovezelmembranen zou kunnen verbeteren.

Theoretische analyse

Aangezien het elektrische veld de belangrijkste drijvende kracht is om jets te genereren [23], wordt de initiatie van de jet bepaald door de intensiteit van het elektrische veld en de gebieden met een hogere elektrische veldintensiteit genereren jets gemakkelijker [25]. Om het experimentele fenomeen te onthullen, werden de elektrische veldverdelingen rond het vrije oppervlak en de bellen respectievelijk berekend door de Maxwell 2D.

Figuur 9 toont de simulatieresultaten van elektrische veldverdelingen rond het vrije oppervlak en de bellen met een werkafstand van 13 cm en een aangelegde spanning van 60 kV. Voor het onderzochte MFSE-proces zijn de getoonde 2D-simulaties uitgevoerd voor de volgende procesparameters:het koperen reservoir als positieve pool was een rechthoek met de breedte 40 mm en de hoogte 30 mm, de elektrische geleidbaarheid van koper was 5,8 × 10 ¹¹ us/cm, de werkafstand was 130 mm, de aangelegde spanning was 60 kV, en de diameters van bellen waren 20 en 25 mm, de oppervlaktespanningen van 7 gew.% PVA-oplossingen zonder en met SDBS waren 45 en 33 mN/m, en de elektrische geleidbaarheid van deze oplossingen was respectievelijk 8,8 en 43 us/cm.

Simulatie van elektrische veldverdelingen bij 60 kV (werkafstand 13 cm). een rond het vrije oppervlak. b rond de bubbels

Figuur 9a onderzoekt dat het elektrische veld op het gebogen deel van het vrije oppervlak erg heterogeen en hoog was, wat suggereert dat die locaties efficiënter zouden moeten zijn om zelf jets te genereren. En de rand van het oplossingsreservoir had een veel hogere elektrische veldintensiteit dan het vrije oppervlak vanwege metalen materialen van het reservoir. Zoals getoond in Fig. 2, werd een aantal stralen geïnitieerd rond het gebogen deel van het vrije oppervlak. En de hogere elektrische veldintensiteit rond de rand in plaats van het oppervlak zou de belangrijkste reden kunnen zijn dat jets eerst worden gegenereerd vanaf de rand van het oplossingsreservoir. Er werden echter meerdere jets gegenereerd uit de bellen, zoals weergegeven in Fig. 3. Fig. 9b laat zien dat de bellen een lagere elektrische veldintensiteit hadden dan het gebogen deel van het vrije oppervlak. Aangezien de elektrostatische kracht de belangrijkste drijvende kracht was om de beweging van de jets te versnellen, zouden de jets sneller reizen onder een hoger elektrisch veld. Daarom zou het hogere elektrische veld op het gebogen deel van het vrije oppervlak dan de bubbels de belangrijkste reden kunnen zijn dat de gegenereerde bubbels de nanovezeldiameter zouden vergroten en de nanovezelproductie zouden verminderen. De resultaten van de theoretische analyse kwamen goed overeen met de experimentele resultaten.