Hoog-doorvoerproductie van hoge-kwaliteit nanovezels via gemodificeerde vrij-oppervlak elektrospinnen

Samenvatting

Opbouwend op bel-elektrospinnen (BE), hebben we een gemodificeerd vrij-oppervlak elektrospinnen (MFSE) systeem ontwikkeld dat een kegelvormige luchtdoorgang met een koperen reservoir combineert, wat de opbrengst van hoge-kwaliteit nanovezels aanzienlijk verhoogt. Het MFSE-proces omvat natrium dodecylbenzeensulfonate (SDBS) om oppervlaktebellen te genereren. We onderzochten hoe aangelegte spanning en belvorming de vezelmorfologie en doorvoer beïnvloeden door zowel experimentele metingen als theoretische modellering. Berekende elektrisch-velddistributies kwamen nauw overeen met experimentele waarnemingen, bevestigend dat hogere spanningen vezelkwaliteit en productie verbeteren, terwijl belaanwezigheid beide tendenzen heeft te reduceren.

Achtergrond

Elektrospinnen wordt algemeen beschouwd als een eenvoudige en krachtige techniek voor het produceren van polymernanovezels. Vanwege hun hoge oppervlakte, oppervlakte-energie en oppervlakte-activiteit hebben elektrogesponnen nanovezels toepassingen gevonden in diverse velden – waaronder niet-geweven stoffen, versterkingsvezels, geneesmiddelafgifte-systemen, weefseltechniek, brandstofcellen, composieten, filtratie, fotonica, sensoren, supercondensatoren, wondverbanden en meer.

Traditionele enkelnaald elektrospinnen lijdt echter aan lage doorvoer, typisch leverend slechts 0,01–0,1 g/h. Daardoor is er een gezamenlijke inspanning om productiesnelheden te verhogen. Opvallende vooruitgang omvatten multinaald systemen, porieuze buisontwerpen, vrij-oppervlak elektrospinnen (FSE) gedreven door magnetische en elektrisch velden, rotatie roller generatoren, naaldloze kegelvormige metaal draadspoel spinners, grote rotatiekegel spinners, piramidevormige koperen spinners, gaspomp-geïnduceerde belgeneratoren en naald-schijf spinners. Numerieke simulaties van geladen straalen en studies van elektrisch en magnetisch veld effecten hebben de straaldynamica verder verhelderd.

In dit werk presenteren we een gemodificeerd vrij-oppervlak elektrospinnen (MFSE) platform dat een kegelvormige luchtdoorgang koppelt met een koperen reservoir om hoge-doorvoer fabricatie van kwaliteitsnanovezels te bereiken, opbouwend op bel-elektrospinnen (BE). Het koperen reservoir en de doorgang genereren meerdere straalen, het elektrospinnenproces initierend. We kwantificeren experimenteel diameterverdeling en doorvoer, aantoonend dat verhoogde aangelegte spanning zowel kwaliteit als opbrengst verbetert. Vergeleken met BE, verdraagt MFSE hogere spanningen, wat fijnere vezels oplevert met een nauwere diameterverdeling en aanzienlijk hogere doorvoer.

Oppervlakte-actieve agenten worden routinematig gebruikt om de oppervlaktespanning van polymere oplossingen te verlagen, waardoor belvorming en stabilisatie worden vergemakkelijkt. Ons eerdere werk toonde aan dat zelfs een bescheiden toevoeging van natrium dodecylbenzeensulfonate (SDBS) de oppervlaktespanning aanzienlijk verlaagt, belgeneratie bevordert en de mechanische prestaties van elektrogesponnen polyvinylalcohol (PVA) nanovezels verbetert. Daarom hebben we SDBS geïntegreerd in de elektrospinnende oplossing om bellen aan de vloeistofoppervlakte te genereren. We onderzochten de impact van bellen op vezelmorfologie en productie zowel experimenteel als theoretisch, bevestigend dat belaanwezigheid de kwaliteit en doorvoer neigt te verlagen.

Methoden

Materialen

PVA (Mw ≈ 1750 ± 50 g/mol) en SDBS werden verkregen van Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Een 7 wt% waterige PVA oplossing werd bereid door PVA poeder op te lossen in gedemineraliseerd water, gevolgd door de toevoeging van 0,3 wt% SDBS. Het mengsel werd gerold bij 90 °C gedurende 2 uur tot homogeniteit. Alle reagenten waren analytische graad en werden zonder verdere zuivering gebruikt.

MFSE Apparatuur

De MFSE opstelling is geïllustreerd in Fig. 1. Het omvat een variabele hoogspanningsgenerator (0–150 kV, TRC2020, Dalian Teslaman Technology Co., LTD), een gaspomp (TEION4500co, Eiko, Japan), een rechthoekige kegelvormige luchtdoorgang met een gasbuis, een verticale koperen reservoir (binnendiameter = 40 mm, hoogte = 30 mm) en een geaarde collector gepositioneerd boven het reservoir. De doorgang heeft een hoogte van 20 mm, een basisdiameter van 40 mm en een topdiameter van 1,5 mm, vervaardigd uit polyethyleen (PE). De top ligt vlak met de reservoirtop. De positieve pool van de generator is direct verbonden met het reservoir, wat de spinnende spanning definieert.

In tegenstelling gebruikt het BE-apparaat een polymere reservoir met een dunne polymere doorgang en een smalle metalen naald dienend als positieve elektrode. Deze configuratie beperkt de bereikbare aangelegte spanning. Gevolgd produceert BE typisch nanovezels van slechts ~3 g/h.

MFSE Proces

Volgens gevestigde protocollen en ons eerdere werk, bedreven we het MFSE-systeem met de volgende parameters: PVA 7 wt%, SDBS 0,3 wt%, aangelegte spanning variërend van 30 tot 70 kV, en een werkafstand van 13 cm tussen doorgang en collector. Experimenten werden uitgevoerd bij 20 °C en 60% relatieve vochtigheid.

De PVA oplossing werd in het reservoir gegoten, de vloeistofoppervlakte boven de doorgang tillend. Bij geleidelijke opening van de gasklep vormt zich een boog rond de doorgang door oppervlaktespanning. Wanneer de aangelegte spanning de drempel overschrijdt, initieren meerdere straalen vanaf de convexe vloeistofoppervlakte, zoals afgebeeld in Fig. 2.

Het toevoegen van SDBS genereert bellen (10–30 mm diameter) op het vrije oppervlak. Deze bellen breken in kleinere, en wanneer de verlaagde oppervlaktespanning een kritieke waarde bereikt, worden meerdere straalen uitgestoten van de beloppervlakken, zoals getoond in Fig. 3.

Metingen en karakterisaties

Straaldynamica werd vastgelegd met een high-definition camera (25.000 fps, KEYENCE VW-9000, Japan). Vezel diameter en morfologie werden beoordeeld via scanning elektronenmicroscopie (SEM; Hitachi S-4800, Japan). Monsters werden gedroogd bij kamertemperatuur en gesputtergecoat met goud (10 min, IB-3, Eiko, Japan). Diameterverdelingen werden gekwantificeerd met ImageJ (National Institute of Mental Health, USA). Elektrisch-veldsimulaties werden uitgevoerd met Maxwell 2D (ANSOFT Corporation, USA).

Resultaten en discussie

Effect van aangelegte spanning op PVA nanovezels

SEM-beelden en diameterverdelingen voor MFSE en BE vezels bij variërende spanningen zijn getoond in Fig. 4. Bij 30 kV vertonen MFSE vezels een gemiddelde diameter van 148 ± 8,53 nm, terwijl BE vezels gemiddeld 190 ± 8,26 nm zijn – wat fijner, meer homogene MFSE output demonstreert. De diameterverdeling vernauwt met toenemende spanning in het MFSE-proces.

Figuren 5 en 6 illustreren hoe aangelegte spanning de gemiddelde diameter en productie in MFSE beïnvloedt. Onder 30 kV zijn straalen schaars door onvoldoende elektrisch kracht. Bij 70 kV versnelt de elektrisch kracht de stijging van de straal, maar de snelle opstijging vermindert verdere rek, resulterend in een niet-monotone diametertrend: initiële afname gevolgd door een lichte toename. Productie stijgt echter stapsgewijs met spanning. Deze bevindingen bevestigen de cruciale rol van spanning in MFSE-prestaties.

Omdat het BE-systeem een polymere naald als positieve elektrode heeft, werkt het bij een lagere spanning, wat de productie beperkt tot ~3 g/h.

Effect van SDBS op PVA nanovezels

Tabel 1 rapporteert de verhoogde elektrische geleidbaarheid en verlaagde oppervlaktespanning van PVA oplossingen met 0,3 wt% SDBS. Figuren 7 en 8 tonen SEM-beelden en diameterverdelingen voor vezels gesponnen uit SDBS-bevattende oplossing bij 60 kV over variërende spintijden. Hoewel de gemiddelde diameter groter is dan die van zuivere PVA, blijft de diameterverdeling stabiel over de tijd, en bereikt de doorvoer 12,5 g/h. Deze resultaten wijzen erop dat belgeneratie, hoewel de diameter vergroot, de productie lichtjes verlaagt – waarschijnlijk door energieverlies bij beldeformatie en breuk, wat straalversnelling vermindert en dus doorvoer.

Mechanische testen van membranen geproduceerd uit PVA met en zonder SDBS worden samengevat in Tabel 2. Zowel trekkracht als rek-bij-breuk verbeteren bij toevoeging van SDBS, wat de rol van het surfactant benadrukt in het verbeteren van mechanische prestaties.

Theoretische analyse

Omdat het elektrisch veld de primaire drijfveer is voor straalvorming, modeleerden we de veldverdeling rond het vrije oppervlak en bellen met Maxwell 2D. Figuur 9 toont de gesimuleerde velden voor een werkafstand van 13 cm en 60 kV aangelegte spanning, rekening houdend met een koperen reservoir (40 mm × 30 mm), beldiameters van 20 mm en 25 mm, en oplossingseigenschappen (oppervlaktespanning 45 mN/m voor zuivere PVA, 33 mN/m met SDBS; geleidbaarheid 8,8 µS/cm en 43 µS/cm, respectievelijk).

Figuur 9a onthult een sterk heterogeen, intens veld aan de kronkelende vrije oppervlakte, met name nabij de reservoirrand – een regio waar straalen eerst ontstaan. In tegenstelling vertonen bellen lagere veldintensiteit, wat verklaart waarom bel-geïnduceerde straalen minder rekken en bijdragen aan grotere vezeldiameters en verminderde doorvoer. De theoretische voorspellingen stemmen goed overeen met experimentele waarnemingen.

Conclusies

We introduceerden een gemodificeerd vrij-oppervlak elektrospinnen systeem dat een kegelvormige luchtdoorgang koppelt met een koperen reservoir, wat hoge-doorvoer fabricatie van hoge-kwaliteit nanovezels voor verlengde spinnperiodes mogelijk maakt. Systematische studies bevestigen dat het verhogen van de aangelegte spanning zowel vezelkwaliteit als productie verbetert. Vergeleken met bel-elektrospinnen, verdraagt MFSE hogere spannningen, wat fijner vezels, strakkere diameterverdelingen en aanzienlijk hogere doorvoer oplevert.

Het incorporeren van SDBS in de PVA oplossing genereert oppervlaktebellen, die, hoewel de vezeldiameter lichtjes vergroten, de productie matig verlagen – waarschijnlijk door energieverlies tijdens belvorming en breuk. Mechanische testen tonen aan dat SDBS de trekkracht en rek-bij-breuk van de resulterende membranen verbetert.

Elektrisch-veldsimulaties met Maxwell 2D bevestigen de experimentele bevindingen, aantoonend dat hogere veldintensiteit aan het vrije oppervlak straalvorming effectiever drijft dan op belplaatsen.

Afkortingen

BE

Bel-elektrospinnen

Co., Ltd.

Besloten vennootschap

FSE

Vrij-oppervlak elektrospinnen

MFSE

Gemodificeerd vrij-oppervlak elektrospinnen

PE

Polyethyleen

PVA

Polyvinylalcohol

SDBS

Natrium dodecylbenzeensulfonate

SEM

Scanning elektronenmicroscopie

wt%

Gewichtsfractie