Hoe temperatuur de Young's modulus van geëlectrospun polyurethaan nanovezels beïnvloedt

Samenvatting

Geëlectrospun polyurethaan (PU) nanovezels werden geproduceerd en onderzocht met atoommicroscopie (AFM) om hun mechanische gedrag te kwantificeren. Een drie-punt buigtest, uitgevoerd op individuele vezels, onthulde een Young's modulus van ongeveer 25 GPa voor ~150 nm diameter vezels bij kamertemperatuur. Naarmate de diameter afnam, steeg de modulus, toegeschreven aan oppervlaktespanningseffecten. Het verhogen van de temperatuur produceerde een lineaire daling van de modulus terwijl de vezelmorfologie intact bleef.

Achtergrond

Eendimensionale (1D) nanomaterialen trekken aandacht vanwege hun bijzondere eigenschappen en diverse toepassingen. Hoewel verschillende fabricageroutes bestaan, staat elektrospinnen uit door de lage kostprijs, schaalbaarheid en het vermogen om sub-micron vezels te produceren via electrostatische straalverdunning.

Polyurethaan combineert zachte en harde segmenten verbonden door urethanbindingen; de zachte ketens bieden flexibiliteit, en de harde ketens verlenen sterkte. De instelbare hardheid maakt PU een populaire keuze in diverse industrieën. Geëlectrospun PU vezels tonen belofte in hoogprestatie luchtfilters, beschermende textielen, wondverbanden en sensoren. Hun mechanische eigenschappen zijn echter slecht begrepen, grotendeels omdat testen op nanoschaal uitdagend is. AFM heeft zich ontwikkeld als een praktisch hulpmiddel voor het onderzoeken van de elasticiteit van enkele 1D nanostructuren, en een eenvoudige AFM-gebaseerde drie-punt buigmethode is ontwikkeld om Young's modulus met hoge precisie te meten.

In deze studie bereidden we geëlectrospun PU nanovezels voor en gebruikten AFM drie-punt buiging om te onderzoeken hoe temperatuur hun Young's modulus beïnvloedt.

Methoden

Materiaalbereiding

Polyurethaan elastomeer (Elastollan® 1180A10, BASF) werd opgelost in een 1:1 mengsel van N,N-dimetylformamide (DMF) en tetrahydrofuraan (THF; Tianjin Hengxing Chemical Reagent Co., Ltd.). De oplossing werd vigoreus geroerd bij kamertemperatuur gedurende 12 uur om complete oplossing te garanderen. Elektrospinnen werd uitgevoerd met een commercieel systeem (Beijing Ucalery Technology Development Co., Ltd.). Een hoge spanning van 9–10 kV werd toegepast over een 13 cm gap tussen de spinneret en een geaarde roterende mandrel. Vezels werden verzameld, overnacht onder vacuüm gedroogd om residuele oplosmiddelen te verwijderen, en opgeslagen in een desiccator vóór testen.

Fysieke Karakterisering en Testen

Scanelektronenmicroscopie (SEM, JSM-6610LV) werd gebruikt om vezelmorfologie te beoordelen. Thermogravimetrische en differentiële scanning calorimetrie (TG/DSC) werden uitgevoerd op een TA Instruments SDT Q600 onder argon. De macroscopische modulus van het geëlectrospun membraan werd gemeten met een Instron 5943 universele testmachine. Voor nanomechanisch testen werden vezels gedeponeerd op een siliciumsjabloon met 2 µm brede, 3 µm diepe groeven; een 50 nm diameter bolvormige AFM-tip (Bruker Nano) oefende kracht uit in het midden van de groef. Kantoorverenconstanten werden gekalibreerd door thermische tuning, en de deflexiegevoeligheid werd ingesteld op een saffierreferentie. Vijf onafhankelijke metingen per vezel werden gemiddeld. Elementenanalyse (ANSYS 15.0) evalueerde tippenetratie, bevestigend dat deformatie van het vezeloppervlak verwaarloosbaar is.

Resultaten en Discussie

SEM-afbeeldingen tonen een willekeurig netwerk van vezels variërend van enkele honderd nanometer tot verschillende micrometers. AFM-dwarsdoorsnedes bevestigen uniforme laterale profielen, met een gemiddelde diameter van ~300 nm. TG/DSC-krommen tonen twee degradatiestadia: een kleine gewichtsverlies tussen 100–200 °C (water en vluchtige stoffen) en een uitgesproken verlies bij ~300 °C (polymeerontbinding). FTIR-spectra tonen karakteristieke PU-pieken bij 3320, 2960, 1710, 1530, 1220, 1110 en 777 cm⁻¹, wat de chemische integriteit van de vezels bevestigt.

In de drie-punt buigopstelling (Fig. 3) wordt de Young's modulus (E) berekend met:

E = FL³ / (192 dI), met F de middenkracht, L de aufgehangen lengte, d de deflexie, en I = πr⁴/4. De test voldoet aan alle aannames (vaste einden, L≫r, kleine d). FEM-resultaten wijzen tippenetratie <10 % van de deformatie, wat het lineaire elastische model valideert.

De modulus-versus-diameter plot (Fig. 4a) onthult een duidelijke grootte-afhankelijkheid: 25 GPa bij 150 nm, dalend tot ~5 GPa voor vezels >300 nm. Deze trend stemt overeen met rapporten voor andere polymere nanovezels en kan worden toegeschreven aan oppervlaktespanning. Met het oppervlaktespanningsmodel is de intrinsieke modulus van de PU nanovezel ≈5,0 GPa, hoger dan bulk PU door ketensorientatie tijdens elektrospinnen. Het geëlectrospun membraan zelf vertoont een lage modulus (~0,9 MPa) vanwege de hoge porositeit.

Temperatuurafhankelijke metingen (Fig. 5a) tonen een lineaire afname van de modulus van 25 °C tot 60 °C voor een 155 nm vezel. AFM-beeldvorming bij 60 °C bevestigt dat de vezel intact blijft, met slechts een lichte diametertoename (200→214 nm). Deze bevindingen suggereren dat PU nanovezels dimensionele stabiliteit behouden bij gematigde temperaturen en nuttig kunnen zijn in nanosensoren en temperatuursgevoelige apparaten.

Duurzaamheidstesten (Fig. 6) omvatten 50 buigcycli op een 215 nm vezel. De modulus bleef essentieel onveranderd, wat robuuste mechanische veerkracht aangeeft.

Conclusies

We maatten de Young's modulus van geëlectrospun PU nanovezels met AFM-gebaseerde drie-punt buiging. De modulus stijgt scherp naarmate de diameter afneemt, een gedrag bepaald door oppervlaktespanning. Temperatuur induceert een lineaire daling van de modulus tussen 25 °C en 60 °C, maar de vezels behouden hun morfologie en weerstaan herhaalde buiging zonder significante stijfheidsverlies.

Afkortingen

1D

Eendimensionaal

AFM

Atoommicroscopie

DMF

N,N-dimetylformamide

PU

Polyurethaan

SEM

Scanelektronenmicroscopie

TGA/DSC

Thermogravimetrische differentiële scanning calorimetrie

THF

Tetrahydrofuraan