Elektrospinnen op isolerende substraten via oppervlaktebenettingsbaarheid en lokale vochtcontrole

Samenvatting

We presenteren een eenvoudige techniek die elektrospinnen van polymeren op flexibele, niet-geleidende substraten mogelijk maakt door benutting van oppervlaktebenettingsbaarheid en gecontroleerde vochtigheid. Door de lokale relatieve vochtigheid rond een plasma-behandeld, hydrofiel polymoppervlak te verhogen, adsorberen watermonolagen en dienen als een tijdelijke grond-elektrode. Elektrogesponnen vezels depositeren selectief op de hydrofiele gebieden, wat nauwkeurige patronering mogelijk maakt zonder complexe elektrode-fabricage. Near-field elektrospinnen demonstreert direct schrijven van polymernanovezels op hydrofiele oppervlakken, wat wegen opent voor draagbare en flexibele elektronische apparaten.

Achtergrond

Elektrospinnen—een economische methode voor het produceren van continue nanovezels in het sub-micrometer bereik—steunt op een elektrisch veld gegenereerd tussen een hoge-spanningsbron, een spinneret en een collector. Traditioneel is de collector een geleidend substraat (bijv. metaal) dat fungeert als grond-elektrode, wat een stabiel elektrisch veld garandeert. Wanneer een niet-geleidend substraat vereist is, moeten externe geleidende lagen worden toegevoegd om aarding te bieden [4].

Veel industriële toepassingen vereisen depositie op isolerende, flexibele polymeren [6]. Eerder werk heeft dit alleen bereikt voor zeer dunne isolerende lagen (≤100 µm) of door gebruik te maken van complexe AC-puls-gemoduleerde electrohydrodynamische technieken die gespecialiseerde apparatuur vereisen [7]. Hoewel elektrospinnen op vloeibare electrolyten is verkend [9–12], blijft een eenvoudige, schaalbare benadering voor willekeurige isolerende substraten onbereikbaar.

We introduceren een methode die de geleidbaarheid van geadsorbeerde waterlagen op hydrofiele oppervlakken in een hoge-vochtigheid omgeving benut. Een dunne monolayer water kan elektriciteit geleiden bij relatieve vochtigheid (RV) boven 50% [13]. Door lokale vochtigheid rond een plasma-behandeld polymer te controleren, fungeert het geadsorbeerde water als de grond-elektrode, wat elektrospinnen onafhankelijk van substratafdikte mogelijk maakt en compatibel is met conventionele opstellingen.

Methoden

Bereiding van een Hydrofiel Polymersubstraat

Een 500-µm acrylaatvel met een van nature hydrofoob oppervlak werd onderworpen aan 30 seconden zuurstofplasma (CUTE, Femto Science, Korea). Deze behandeling introduceerde silanolgroepen (SiOH) en verlaagde de watercontacthoek van 81,3° tot 36,7°, wat succesvolle hydrofilisering bevestigt [14]. Selectieve hydrofilisering werd bereikt door gebieden af te maskeren vóór plasma-blootstelling.

Elektrospinnen Opstelling

Elektrospinnen werd uitgevoerd bij kamertemperatuur (≈22 °C) en matige RV (40–50%). Een 10 gew% polyurethaan (PU) oplossing (Pellethane 2363-80AE; Lubrizol, USA) opgelost in een 80/20 (v/v) THF/DMF mengsel diende als spinvloeistof. Voor vergelijkende studies werden PU-vezels gedeponeerd op een acrylaat collector die hydrofiele en hydrofobe gebieden combineerde (Fig. 1a).

Lokale Vochtcontrole

Om de vochtigheid nabij de collector te verhogen, werd een nat papier tussen het acrylaatsubstraat en de grond-elektrode geplaatst (Fig. 1b). Omdat waterdamp langzaam diffuseert, bereikte de RV nabij het substraat ~70% terwijl de spuitpuntomgeving op ~50% bleef (Aanvullend bestand 1: Figuur S2). Deze gelokaliseerde toename zorgt voor snelle wateradsorptie op hydrofiele oppervlakken, wat electrostatische koppeling vergemakkelijkt [15].

Resultaten en Discussie

Elektrospinnen Modi

We onderzochten twee configuraties: (1) far-field elektrospinnen (punt-naar-collector afstand = 8 cm, 13 kV DC) en (2) near-field elektrospinnen (afstand = 1 cm, 2 kV DC, bewegende punt met 100 mm s⁻¹). In far-field modus vormden vezels alleen op hydrofiele gebieden; de hydrofobe secties bleven vrij van depositie (Fig. 2). De geadsorbeerde waterlaag op het hydrofiele oppervlak leverde de benodigde aarding, terwijl het hydrofoobe oppervlak elektrisch veldvorming remde. Near-field experimenten toonden aan dat vezels direct langs de puntbaan op hydrofiele gebieden geschreven konden worden, wat continue lijnen produceerde; vezels op hydrofobe gebieden leken onstabiel en vervormd.

Vier polymeren—PCL, PS, CA en PVDF—werden getest om veelzijdigheid te bevestigen. In elk geval werden uitsluitend op hydrofiele gebieden vezels gedeponeerd (Fig. 3). SEM-analyse (Fig. 4) onthulde dat vezelmorfologie op de polymercollector overeenkwam met die geproduceerd op conventionele metalelektrodes, wat aangeeft dat lokale vochtcontrole de vezelkwaliteit niet aantast.

Elektrisch veldsterkte beïnvloedt ook depositiepatronen. Naarmate de toegepaste spanning steeg van 6 kV tot 16 kV (punt-naar-collector = 8 cm), nam de buigingsonstabiliteit van de straal toe, wat leidde tot grotere lussen die vezels op de hydrofobe gebieden deponeerden (Fig. 5). Bij lagere spanningen verzamelden vezels voornamelijk op het hydrofiele oppervlak.

Near-field experimenten valideerden de methode verder. Wanneer de collector een hydrofiel polymer was, produceerde de punt rechte, continue lijnen, terwijl op een hydrofoobe collector de vezels onstabiel en gebogen waren (Fig. 6). Dit demonstreert dat direct patroneren op isolerende substraten haalbaar is zonder externe elektroden.

Conclusies

We hebben een eenvoudige, schaalbare benadering tot stand gebracht om te elektrospinnen op isolerende substraten van willekeurige dikte door benutting van oppervlaktebenettingsbaarheid en gecontroleerde lokale vochtigheid. Zuurstofplasma maakt het polymeroppervlak hydrofiel, wat geadsorbeerd water bij ~70% RV toestaat om als grond-elektrode te fungeren. Elektrogesponnen nanovezels gedeponeerd op de hydrofiele collector komen overeen met de morfologie behaald op conventionele metalelektrodes, en near-field schrijven levert nauwkeurige vezelpatronen op hydrofiele gebieden van anderszins isolerende oppervlakken. Deze strategie elimineert de noodzaak voor complexe MEMS of elektrode-fabricage, wat de integratie van elektrogesponnen nanovezels in flexibele, draagbare elektronica en andere opkomende toepassingen mogelijk maakt.