Beheersing van secundaire oppervlaktemorfologie van geëlectrospinne PVDF-nanovezels via oplosmiddelkeuze en relatieve luchtvochtigheid

Samenvatting

We presenteren een eenvoudig, reproduceerbaar protocol voor het produceren van polyvinylidene fluoride (PVDF) nanovezels met afgestemde secundaire morfologieën - macro-porieus, ruw, gegolfd, en intern porieus - met behulp van enkelvoudige of binaire oplosmiddelsystemen en gecontroleerde relatieve luchtvochtigheid. Systematische studies onthullen dat waterdamp, fungerend als non-oplomiddel, essentieel is voor het induceren van fascheiding wanneer de relatieve luchtvochtigheid binnen een specifiek venster ligt. De verdampingsnelheid van het oplosmiddel (acetoon, DMF, of mengsels) en de interdiffusie van water dicteren het ontstaan van oppervlakteporiën, interne gaten, en texturale kenmerken. Stikstofadsorptiemetingen tonen aan dat macro-porieuze vezels (>300 nm) een specifiek oppervlakte van 23,31 ± 4,30 m² g⁻¹ en een poriële volume van 0,0695 ± 0,007 cm³ g⁻¹ bereiken, wat vertaalt in uitzonderlijke olie-absorptiecapaciteiten van 50,58 ± 5,47 g g⁻¹ (silicone-olie), 37,74 ± 4,33 g g⁻¹ (motorolie), en 23,96 ± 2,68 g g⁻¹ (olijfolie). Deze bevindingen bieden een praktische routekaart voor het ontwerpen van geëlectrospinne PVDF-nanovezels met aangepaste oppervlakte-architecturen voor geavanceerde filtratie, sensing, en energie-opwekking toepassingen.

Achtergrond

Elektrospinnen benut elektrostatische krachten om polymere oplossingen uit te rekken tot vezels variërend van nanometers tot micrometers in diameter. Door procesparameters af te stemmen, is een rijke bibliotheek van morfologieën gerealiseerd - gekogeld, porieus, gegolfd, hol, kern-mantel, en meer. Geëlectrospinne nanovezels excelleren in hoog oppervlakte, flexibiliteit, en structurele diversiteit, wat ze ideaal maakt voor energie-opwekking, sensoren, filtratie, biomedische apparaten, en zelf-reinigende oppervlakken.

Secundaire oppervlaktekenmerken - porieus, ruw, of gegolfd - kunnen functionele prestaties dramatisch verbeteren. Porieuze vezels verhogen katalytische en filtratie-efficiëntie; ruwe oppervlakken verhogen tribo-elektrische opbrengst; gegolfde architecturen favoriseren weefselengineering en superhydrofobiciteit. Echter, system controle van deze kenmerken, met name in PVDF, blijft onderontwikkeld.

Methoden

Materialen

PVDF (Mn = 275 kDa) van Sigma-Aldrich; acetoon (ACE) en N,N-dimethylformamide (DMF) van Shanghai Chemical Reagents Co., Ltd. Alle reagentia werden zoals ontvangen gebruikt.

Elektrospinning-opstelling

Oplossingen van 18% ACE/PVDF, 35% DMF/PVDF, en 25% ACE/DMF PVDF (verhouding 4:1 tot 1:4) werden bereid. Een 21 G naald voedde een spuitpompe (1,5 mL h⁻¹) onder 18 kV. Vezels werden verzameld op een 40 cm × 20 cm trommel bij 2 rpm, 18 cm van de naald. Experimenten werden uitgevoerd bij 20 °C met relatieve luchtvochtigheid ingesteld op 5%, 25%, 45%, of 65% met een luchtvochtigmaker/ontvochtiger.

Ternaire fasediagram

Wolkpunten werden verkregen door PVDF-oplossingen te titreren met gedemineraliseerd water bij 65% RH. De binodale kromme werd geplottet om solvent-water-polymer co-existentie te identificeren.

Karakterisering

Vezelmorfologie en dwarsdoorsnedes werden onderzocht door FE-SEM (Hitachi S-4800) na goudcoating. Diameters werden gemeten via beeldanalyse. Stikstof-adsorptie-desorptie-isothermen (JW-BK132F) leverden oppervlakte, poriegrootte, en volumedata. Olieabsorptie werd beoordeeld door 0,3 g droog vezel in een 1:1 water-oli mengsel te dompelen gedurende 1 uur, 40 min te laten uitlekken, en capaciteit te berekenen met Q = (m₀ - m₁)/m₁.

Resultaten en discussie

ACE-gebaseerde vezels

Bij 5% RH vormden gladde, massieve-interieur vezels - geen fascheiding. Verhoging van RH naar 25-65% induceerde macro-porositeit op het oppervlak. Dwarsdoorsnedes onthulden massieve interieurs bij 25% RH (TIPS) en interne poriën bij 45-65% RH (samenkomst van TIPS en VIPS). Macro-poriegrootte groeide van ~50 nm (25% RH) tot ~400 nm (65% RH). Vezeldiameter nam toe van 0,77 µm tot 1,81 µm met stijgende RH.

DMF-gebaseerde vezels

5% RH produceerde gladde vezels; 25-65% RH leverde ruwe oppervlakken en interne poriën via VIPS. De hogere dampdruk van water ten opzichte van DMF bevordert water-geïnduceerde fascheiding, vormend een PVDF-schede die DMF vasthoudt en poriën genereert. Diameter nam toe van 0,8 µm tot 1,79 µm over het RH-bereik.

ACE/DMF-mengselvezels

Met 25% PVDF met varierende ACE/DMF-verhoudingen, ontstond een spectrum van morfologieën: glad (5% RH), pilaar-vlakke golven (25% RH), pilaar-lengtegolven (45-65% RH). Bij 25-65% RH vertoonden alle vezels interne poriën; gegolfde texturen resultaten uit rimpel-gebaseerde elongatie na vroege glasachtige huidvorming. Toenemende RH verbreedde golflengte en diepte. Vezeldiameters varieerden met oplosmiddelverhouding: 1:1 verhouding leverde de dunste vezels (~0,6 µm) bij 5% RH, uitdijend tot ~2 µm bij 65% RH.

Fasegedrag

Een ternair fasediagram bij 65% RH toont twee zones gescheiden door een binodale kromme. De straal begint in een homogene zone (I); naarmate ACE snel verdampt, verschuift de samenstelling naar zone II waar meervoudige fascheiding optreedt (TIPS en VIPS). De traject hangt af van oplosmiddel-vluchtigheid.

Oppervlakte, porositeit, en olieabsorptie

Macro-porieuze vezels bereikten de hoogste specifieke oppervlakte (23,31 ± 4,30 m² g⁻¹) en poriële volume (0,0695 ± 0,007 cm³ g⁻¹). Gegolfde en ruwe vezels vertoonden lagere waarden (10,26 ± 2,19 m² g⁻¹, 4,81 ± 0,58 m² g⁻¹). Mesoporiën (2-50 nm) waren gemeenschappelijk; macro-poriën (>100 nm) waren exclusief voor macro-porieuze vezels, wat hun superieure olieopname verklaart. Olieabsorptietests bevestigden dat macro-porieuze vezels 50,58 ± 5,47 g g⁻¹ silicone-olie, 37,74 ± 4,33 g g⁻¹ motorolie, en 23,96 ± 2,68 g g⁻¹ olijfolie absorbeerden - meer dan het dubbele van de capaciteit van gegolfde of ruwe vezels.

Conclusies

We hebben een betrouwbare, afstelbare strategie vastgelegd voor het genereren van macro-porieuze, ruwe, en gegolfde PVDF-nanovezels met interne porositeit door oplosmiddelsamenstelling en omgevingsvochtigheid aan te passen. Kerninzichten: geen fascheiding bij 5% RH levert gladde vezels; TIPS domineert bij 25% RH (ACE); VIPS regeert ruwe vezels (DMF) en gegolfde texturen (ACE/DMF). Deze structurele controles vertalen direct in verbeterde oppervlakte en olie-absorptieprestaties, wat een praktische gids biedt voor het ontwerpen van hoog-functionaliteit geëlectrospinne materialen.