Elektrospinnen op isolerende ondergronden door de bevochtiging en vochtigheid van het oppervlak te regelen

Resultaten en discussie

De kracht die inwerkt op CNT's bij de vloeistof-luchtinterface

We onderzochten twee vormen van electrospinning:een afstand van punt tot elektrode van 8 cm en het toepassen van 13 kV gelijkspanning met een vaste punt (far-field electrospinning), en een afstand van punt tot elektrode van 1 cm en het toepassen van 2 kV gelijkstroom spanning met een bewegende punt (near-field electrospinning).

Far-field electrospinning werd uitgevoerd door eerst het polymeersubstraat op de aardelektrode te plaatsen. Electrospinning vond niet plaats op hydrofobe delen van het substraat. In plaats daarvan zou de polymeeroplossing een druppel vormen aan het einde van de punt, die uiteindelijk door de zwaartekracht zou vallen. Wanneer daarentegen het gehydrofiliseerde polymeersubstraat op de elektrode werd geplaatst, werden elektrospunvezels op het substraatoppervlak afgezet, zoals wordt waargenomen bij conventioneel elektrospinnen met gebruikmaking van geleidende substraten. Elektrospunvezels werden vervolgens afgezet op een dubbel substraat met zowel hydrofobe als hydrofiele oppervlakken. Afbeelding 2 toont foto's van digitale camera's en microfoto's van elektrospun nanovezels op het dubbele substraat. De meeste vezels werden afgezet op het hydrofiele oppervlak. In Fig. 2a, b zijn de rechter- en linkerhelften van het polymeeroppervlak respectievelijk hydrofiel en hydrofoob. De punt van de spuit werd vastgezet in het midden van het substraat. Waterdamp uit de lucht was alleen op het hydrofiele oppervlak geadsorbeerd en werkte als een elektrode. Er werd een elektrisch veld gevormd tussen de punt en het water wanneer een hoge spanning werd aangelegd voor elektrospinning. Daarentegen verhinderde het hydrofobe oppervlak van het ongerepte acrylsubstraat de vorming van een elektrisch veld tussen de punt en de aardelektrode. Electrospinning is een fenomeen waarbij een geladen oplossing een spuittip verlaat via een afstotende elektrostatische kracht. De druppel polymeeroplossing die de straal verlaat, wordt daarom geladen. De geladen polymeeroplossing ervaart de elektrostatische kracht en beweegt naar het hydrofiele oppervlak. Om dezelfde reden vond elektrospinning niet plaats op het hydrofobe gebied van de elektrode. De elektrospun vezels die zijn afgezet aan de rand van het hydrofobe domein in figuur 2a worden verondersteld te wijten te zijn aan de invloed van de elektrode die is blootgesteld aan de buitenkant van het polymeersubstraat. In figuur 2c, d, waren vijf parallelle staven van polymeersubstraat en de rest respectievelijk hydrofoob en hydrofiel. De breedte en afstand van de staven waren 2 mm. Electrospun-vezels die op het hydrofobe oppervlak waren afgezet, werden uitgelijnd met hun longitudinale assen loodrecht op de grens van hydrofiele en hydrofobe oppervlakken. Maar de electrospun vezels op het hydrofiele oppervlak waren willekeurig in de war. Dit komt overeen met bekende resultaten in conventioneel elektrospinnen op basis van metalen elektroden [16].

Afbeeldingen van far-field electrospun films op oppervlakken met verschillende bevochtigbaarheid. een , c Digitale camera foto's. b , d Digitale microfoto van het grensgebied van a en c , respectievelijk

Om de veelzijdigheid te verifiëren, werd elektrospinnen uitgevoerd voor vier soorten polymeren:PCL (polycaprolacton), PS (polystyreen), CA (celluloseacetaat) en PVDF (polyvinylideenfluoride). PCL (15 gew.%, Sigma-Aldrich) werd opgelost in een mengsel (20/80, v /v ) van THF en DMF, PS (10 gew.%, Sigma-Aldrich) werd opgelost in een mengsel (80/20, v /v ) van THF en DMF, CA (10 gew.%, Sigma-Aldrich) werd opgelost in een mengsel (1/1, v /v ) aceton en dimethylacetamide (DMAc), en PVDF (15 gew.%, Sigma-Aldrich) werd respectievelijk bij 60 ° C in DMF opgelost. In Fig. 3 worden vier verschillende elektrospun-vezels afgezet op het oppervlak van een hydrofiel oppervlak, zoals PU-elektrospun-vezels.

Afbeeldingen van electrospun vezel op polymeersubstraat met hydrofiel (rechts) en hydrofoob (links) oppervlak. een PCL. b ps. c Cellulose acetaat. d PVDF (schaalbalk:10 mm)

De morfologie van de elektrospinvezel op het polymeersubstraat werd vergeleken met de conventionele elektrospinning en vezels op de metalen elektrode met lokale vochtigheidsregeling. Afbeelding 4 toont het SEM-beeld van PU-elektrogesponnen vezels op metalen elektrode met en zonder lokale vochtigheidsregeling en polymeersubstraat met lokale vochtigheidsregeling. De morfologie van electrospun-vezels was in alle drie de gevallen vergelijkbaar. Er wordt aangenomen dat sterke vluchtige oplosmiddelen voldoende verdampen omdat de vochtigheid rond de spuit laag blijft.

SEM-beelden van electrospun fiber onder verschillende omstandigheden met een tip-to-electrode afstand van 8 cm en het toepassen van 12 kV DC spanning. een , d Conventioneel elektrospinnen - metalen elektrode zonder lokale vochtigheidsregeling. b , e Metalen elektrode met lokale vochtigheidsregeling. c , v Hydrofiel oppervlaktepolymeersubstraat met lokale vochtigheidsregeling

De intensiteit van het elektrische veld is een van de belangrijke factoren voor het veranderen van het patroon van de electrospun vezels. Figuur 5 toont het patroon van elektrogesponnen vezels op een polymeersubstraat met een hydrofiel (rechts) en hydrofoob (links) oppervlak waar de aangelegde spanning werd veranderd van 6 naar 16 kV op een afstand van punt tot elektrode van 8 cm. Het is bekend dat naarmate het elektrische veld toeneemt, de lussen van de polymeerstraal groter worden naarmate de buiginstabiliteit toeneemt [17, 18]. Naarmate de lussen van de polymeerstraal groeien, zetten elektrospun-vezels zich af op de elektrode die is blootgesteld aan de buitenkant van het polymeersubstraat. Daarom zetten elektrogesponnen vezels zich af op het hydrofobe oppervlak van het polymeersubstraat tussen de elektrode en het hydrofiele oppervlak. Aan de andere kant, wanneer de lussen van de polymeerstraal klein zijn, zetten de meeste elektrospun-vezels zich af op het hydrofiele oppervlak van het polymeersubstraat dat zich verticaal onder de punt van de spuit bevindt.

Afbeeldingen van PU-elektrospunvezel op polymeersubstraat met hydrofiel (rechts) en hydrofoob (links) oppervlak volgens toegepaste gelijkspanning gedurende 2 minuten. een 6 kV. b 8 kV. c 10 kV. d 12 kV. e 14 kV. v 16 kV (schaalbalk:10 mm)

Near-field electrospinning werd uitgevoerd op een afstand van punt tot substraat van 1 cm en de punt werd bewogen met een snelheid van 100 mm/s. Figuur 6a, b vergelijkt polymeer nanovezels met een direct patroon op een geleidende elektrode en een hydrofiel polymeersubstraat. Wanneer gepresenteerd met een hydrofoob gebied op de elektrode, werden vezels uitgezonden naar de blootgestelde elektrode. Omgekeerd werden vezels direct naar het gehydrofiliseerde polymeersubstraat uitgestoten. Ladingen in een druppel polymeeroplossing kunnen niet ontsnappen als de druppel op een isolerend oppervlak valt. De lading van deze aanvankelijk afgezette polymeerlaag zal dus binnenkomende elektrospun-druppels afstoten [19]. Figuur 6c, d toont het resultaat van polymeervezels die rechtstreeks op een polymeersubstraat worden geschreven met zowel hydrofobe als hydrofiele oppervlakken. De verticale lijn in de afbeelding is de grens tussen de hydrofiele (links) en hydrofobe (rechts) regio's. Vezels op het hydrofiele oppervlak werden in een rechte lijn langs het pad van de punt getrokken en waren qua vorm vergelijkbaar met vezels gemaakt via conventioneel nabij-veld-elektrospinning. Daarentegen waren vezels op het hydrofobe oppervlak onstabiel en vertoonden ze gedraaide of gebogen vormen. Vezels op het hydrofiele oppervlak werden geplaatst door traagheid als gevolg van de bewegende punt, terwijl deze uit het hydrofiele gebied bewoog. Polymeervezels die op zo'n manier vielen, waren zeer onstabiel vanwege het ontbreken van een elektrisch veld op het hydrofobe oppervlak. Figuur 6e toont vezels die het resultaat zijn van het direct schrijven van polymeerlijnen op het hydrofiele polymeersubstraat. Merk op dat figuur 6f een vergroting is van figuur 6e. Deze gegevens bevestigen dat polymeerpatronen direct op het oppervlak van een isolator met een hydrofiel oppervlak kunnen worden getekend, zoals ze op een elektrodeoppervlak zouden worden getekend.

Afbeeldingen van near-field electrospun films op a een hydrofoob oppervlak en b een hydrofiel oppervlak. Afbeeldingen van polymeervezels rechtstreeks geschreven op een polymeersubstraat met een hydrofoob oppervlak (links) en een hydrofiel oppervlak (rechts); c een foto van een digitale camera en d een digitale microfoto. Afbeeldingen van elektrospun polymeervezels die direct op een hydrofiel oppervlak zijn geschreven; e een foto van een digitale camera en f een digitale microfoto