Elektrospinning ke Substrat Isolasi dengan Mengontrol Kelembaban dan Kelembaban Permukaan
Abstrak
Kami melaporkan metode sederhana untuk elektrospinning polimer ke fleksibel, substrat isolasi dengan mengontrol keterbasahan permukaan substrat. Molekul air teradsorpsi ke permukaan substrat polimer hidrofilik dengan meningkatkan kelembaban lokal di sekitar substrat. Air yang teradsorpsi digunakan sebagai elektroda ground untuk electrospinning. Serat electrospun hanya diendapkan ke area hidrofilik substrat, memungkinkan pemolaan melalui kontrol keterbasahan. Penulisan langsung serat polimer juga dimungkinkan melalui elektrospinning medan dekat ke permukaan hidrofilik.
Latar Belakang
Electrospinning adalah teknik yang digunakan untuk menghasilkan serat kontinu, dengan diameter beberapa ratus nanometer, menggunakan medan listrik. Electrospinning relatif murah dan telah diterapkan pada berbagai macam aplikasi dan material [1,2,3,4]. Pengaturan electrospinning terutama terdiri dari tiga bagian:sumber tegangan tinggi, pemintal, dan kolektor. Kolektor umumnya merupakan substrat konduktif, seperti logam, yang berfungsi sebagai elektroda pentanahan dan membantu membentuk medan listrik yang stabil pada pemintal. Ketika substrat non-konduktif digunakan sebagai pengumpul, elektroda pentanahan konduktif harus ditempatkan pada permukaan substrat [4, 5].
Banyak aplikasi industri nanofiber electrospun memerlukan deposisi mereka ke substrat isolasi, seperti polimer fleksibel [6, 7]. Cho dkk. [6] menunjukkan deposisi nanofibers electrospun ke tipis, lapisan isolator fleksibel pada elektroda. Nanofiber electrospun yang disimpan dalam keadaan seperti itu akan mengikuti atau menyelaraskan dengan elektroda yang mendasarinya. Min dkk. [8] menghasilkan kawat nano semikonduktor organik berpola pada substrat polimer menggunakan elektrospinning medan dekat. Dalam kedua kasus, electrospinning ke substrat polimer hanya mungkin jika lapisan isolasi cukup tipis (kurang dari 100 m) untuk mempertahankan medan listrik yang tinggi. Zheng dkk. [7] melaporkan electrospinning ke substrat polimer isolasi (polietilen tereftalat) menggunakan metode elektrohidrodinamik termodulasi pulsa AC. Metode ini mampu melakukan electrospinning ke substrat polimer terlepas dari ketebalan substrat, tetapi membutuhkan penerapan medan listrik AC yang relatif kompleks. Sementara studi yang disebutkan di atas telah menunjukkan kelayakan, electrospinning ke permukaan non-konduktif belum mencapai penggunaan luas dalam aplikasi industri.
Di sini, kami menyajikan metode baru untuk serat electrospinning ke substrat isolasi yang mengatasi keterbatasan pekerjaan sebelumnya. Electrospinning telah didemonstrasikan menggunakan elektrolit cair sebagai elektroda kolektor [9,10,11,12]. Perhatikan juga bahwa, pada kelembaban tinggi yang sesuai, molekul air akan teradsorpsi ke permukaan hidrofilik dan mulai menghantarkan listrik pada kira-kira satu lapisan tunggal [13]. Jika kelembaban yang tepat dipertahankan di sekitar substrat isolasi dengan permukaan hidrofilik, maka molekul air yang teradsorpsi pada permukaan dapat berfungsi sebagai lapisan elektroda, memungkinkan pengendapan serat electrospun. Tidak seperti penelitian sebelumnya, metode ini tidak bergantung pada ketebalan substrat karena hanya mengandalkan karakteristik permukaan substrat di lingkungan sekitarnya. Selain itu, ini kompatibel dengan teknik electrospinning konvensional, yang hanya membutuhkan kontrol kelembaban.
Metode
Preparasi Substrat Polimer dengan Hidrofilik
Dalam percobaan ini, substrat akrilik 500 m dengan permukaan awalnya hidrofobik digunakan sebagai kolektor. Perlakuan plasma oksigen (CUTE, Femto Science, Korea) selama 30 detik dari substrat akrilik menghasilkan permukaan hidrofilik yang diisi dengan gugus silanol (SiOH) [14]. Reaksi ini dikonfirmasi oleh perubahan sudut kontak air dari 81,3° pada akrilik murni menjadi 36,7° setelah perlakuan plasma (File tambahan 1:Gambar S1b–d). Daerah substrat akrilik dibuat hidrofilik secara selektif dengan menerapkan masker stensil sebelum perawatan plasma (File tambahan 1:Gambar S1a).
Persiapan untuk Electrospinning
Electrospinning dilakukan pada suhu kamar dan kelembaban sedang (kelembaban relatif 40~50%) dengan 10 berat poliuretan (PU) (Pellethane 2363-80AE; Lubrizol, USA) yang dilarutkan dalam campuran (80/20, v /v ) dari tetrahidrofuran (THF) dan dimetilformamida (DMF). Untuk membandingkan efek hidrofobisitas permukaan, substrat akrilik dengan permukaan hidrofilik dan hidrofobik ditempatkan pada elektroda arde dan digunakan sebagai kolektor selama elektrospinning (Gbr. 1a).
Diagram skematik menunjukkan (a ) proses electrospinning pada substrat polimer dengan kontrol kelembaban lokal, dan (b ) adalah rincian batas wilayah (a )
Kontrol Kelembaban Lokal
Untuk meningkatkan kelembapan di sekitar substrat polimer, kertas basah ditempatkan di antara substrat polimer dan elektroda arde (Gbr. 1b). Kelembaban relatif tinggi hanya di sekitar substrat polimer karena difusivitas uap air yang rendah. Kelembaban di sekitar ujung spuit electrospinning adalah sekitar 50%, sedangkan kelembaban di sekitar substrat polimer sekitar 70% (File tambahan 1:Gambar S2). Telah ditunjukkan bahwa adsorpsi molekul air ke permukaan polimer hidrofilik meningkat dengan cepat ketika kelembaban relatif melebihi 50% [15].
Hasil dan Diskusi
Gaya yang Bekerja pada CNT pada Antarmuka Cairan–Udara
Kami menyelidiki dua mode electrospinning:jarak ujung ke elektroda 8 cm dan menerapkan tegangan 13 kV DC dengan ujung tetap (electrospinning medan jauh), dan jarak ujung ke elektroda 1 cm dan menerapkan 2 kV DC tegangan dengan ujung yang bergerak (electrospinning medan dekat).
Elektrospinning medan jauh dilakukan dengan terlebih dahulu menempatkan substrat polimer pada elektroda ground. Electrospinning tidak terjadi pada area hidrofobik substrat. Sebaliknya, larutan polimer akan membentuk tetesan di ujung ujung, akhirnya jatuh karena gravitasi. Sebaliknya, ketika substrat polimer terhidrofilkan ditempatkan pada elektroda, serat electrospun diendapkan pada permukaan substrat, seperti yang diamati dengan electrospinning konvensional menggunakan substrat konduktif. Serat electrospun kemudian diendapkan ke substrat ganda yang memiliki permukaan hidrofobik dan hidrofilik. Gambar 2 menunjukkan foto kamera digital dan mikrograf serat nano electrospun pada substrat ganda. Sebagian besar serat diendapkan pada permukaan hidrofilik. Pada Gambar. 2a, b, bagian kanan dan kiri permukaan polimer masing-masing bersifat hidrofilik dan hidrofobik. Ujung jarum suntik dipasang di tengah substrat. Uap air dari udara hanya teradsorpsi pada permukaan hidrofilik, bertindak sebagai elektroda. Medan listrik terbentuk antara ujung dan air ketika tegangan tinggi diterapkan untuk electrospinning. Sebaliknya, permukaan hidrofobik dari substrat akrilik murni mencegah pembentukan medan listrik antara ujung dan elektroda ground. Electrospinning adalah fenomena di mana larutan bermuatan keluar dari ujung jarum suntik melalui gaya elektrostatik yang menjijikkan. Tetesan larutan polimer yang keluar dari jet karena itu dibebankan. Larutan polimer bermuatan mengalami gaya elektrostatik dan bergerak menuju permukaan hidrofilik. Untuk alasan yang sama, electrospinning tidak terjadi pada daerah hidrofobik dari elektroda. Serat electrospun disimpan di tepi domain hidrofobik pada Gambar. 2a dianggap karena pengaruh elektroda terkena bagian luar substrat polimer. Pada Gambar. 2c, d, lima batang paralel substrat polimer dan sisanya masing-masing hidrofobik dan hidrofilik. Lebar dan jarak palang adalah 2 mm. Serat elektrospun yang diendapkan pada permukaan hidrofobik disejajarkan dengan sumbu longitudinal yang berorientasi tegak lurus terhadap batas permukaan hidrofilik dan hidrofobik. Tapi serat electrospun pada permukaan hidrofilik secara acak tidak teratur. Hal ini konsisten dengan hasil terkenal dalam electrospinning konvensional berdasarkan elektroda logam [16].
Gambar film electrospun medan jauh pada permukaan dengan keterbasahan yang berbeda. a , c Foto kamera digital. b , d Mikrograf digital dari wilayah batas a dan c , masing-masing
Untuk memverifikasi keserbagunaan, electrospinning dilakukan untuk empat jenis polimer:PCL (polycaprolactone), PS (polystyrene), CA (selulosa asetat), dan PVDF (polyvinylidene fluoride). PCL (15 wt%, Sigma-Aldrich) dilarutkan dalam campuran (20/80, v /v ) dari THF dan DMF, PS (10 wt%, Sigma-Aldrich) dilarutkan dalam campuran (80/20, v /v ) dari THF dan DMF, CA (10 wt%, Sigma-Aldrich) dilarutkan dalam campuran (1/1, v /v ) dari aseton dan dimetilasetamida (DMAc), dan PVDF (15 berat, Sigma-Aldrich) masing-masing dilarutkan dalam DMF pada 60 °C. Pada Gambar. 3, empat serat electrospun berbeda diendapkan pada permukaan permukaan hidrofilik seperti serat electrospun PU.
Gambar serat electrospun pada substrat polimer dengan permukaan hidrofilik (kanan) dan hidrofobik (kiri). a PCL. b PS. c Selulosa asetat. d PVDF (bilah skala:10 mm)
Morfologi serat electrospun pada substrat polimer dibandingkan dengan electrospinning konvensional dan serat pada elektroda logam dengan kontrol kelembaban lokal. Gambar 4 menunjukkan gambar SEM serat elektrospun PU ke elektroda logam dengan dan tanpa kontrol kelembaban lokal dan substrat polimer dengan kontrol kelembaban lokal. Morfologi serat electrospun serupa dalam ketiga kasus. Pelarut kuat yang mudah menguap diduga cukup menguap karena kelembapan tetap rendah di sekitar spuit.
Gambar SEM serat electrospun dalam kondisi berbeda dengan jarak ujung-ke-elektroda 8 cm dan menerapkan tegangan DC 12 kV. a , d Electrospinning konvensional—elektroda logam tanpa kontrol kelembaban lokal. b , e Elektroda logam dengan kontrol kelembaban lokal. c , f Substrat polimer permukaan hidrofilik dengan kontrol kelembaban lokal
Intensitas medan listrik merupakan salah satu faktor penting untuk mengubah pola serat electrospun. Gambar 5 menunjukkan pola serat electrospun pada substrat polimer dengan permukaan hidrofilik (kanan) dan hidrofobik (kiri) di mana tegangan yang diterapkan diubah dari 6 menjadi 16 kV pada jarak ujung-ke-elektroda 8 cm. Diketahui bahwa dengan meningkatnya medan listrik, loop jet polimer menjadi lebih besar karena ketidakstabilan lentur meningkat [17, 18]. Sebagai loop dari jet polimer tumbuh, serat electrospun deposit pada elektroda terkena bagian luar substrat polimer. Oleh karena itu, serat elektrospun mengendap pada permukaan hidrofobik substrat polimer antara elektroda dan permukaan hidrofilik. Di sisi lain, ketika loop jet polimer kecil, sebagian besar serat electrospun mengendap pada permukaan hidrofilik substrat polimer yang terletak secara vertikal di bawah ujung spuit.
Gambar serat elektrospun PU pada substrat polimer dengan permukaan hidrofilik (kanan) dan hidrofobik (kiri) sesuai dengan tegangan DC yang diterapkan selama 2 menit. a 6 kV. b 8 kV. c 10 kV. d 12 kV. e 14 kV. f 16 kV (bilah skala:10 mm)
Electrospinning medan dekat dilakukan pada jarak ujung-ke-substrat 1 cm dan ujungnya dipindahkan dengan kecepatan 100 mm/s. Gambar 6a, b membandingkan serat nano polimer berpola langsung pada elektroda konduktif dan substrat polimer hidrofilik. Ketika disajikan dengan daerah hidrofobik pada elektroda, serat dipancarkan ke arah elektroda yang terbuka. Sebaliknya, serat dipancarkan langsung menuju substrat polimer terhidrofil. Muatan dalam tetesan larutan polimer tidak dapat keluar jika tetesan jatuh ke permukaan isolasi. Dengan demikian, muatan lapisan polimer yang diendapkan awalnya ini akan menolak tetesan elektrospun yang masuk [19]. Gambar 6c, d menunjukkan hasil serat polimer yang ditulis langsung ke substrat polimer yang memiliki permukaan hidrofobik dan hidrofilik. Garis vertikal pada gambar adalah batas antara daerah hidrofilik (kiri) dan hidrofobik (kanan). Serat pada permukaan hidrofilik ditarik sepanjang jalur ujung dalam garis lurus dan serupa bentuknya dengan serat yang dibuat melalui elektrospinning medan dekat konvensional. Sebaliknya, serat pada permukaan hidrofobik tidak stabil dan menunjukkan bentuk bengkok atau melengkung. Serat pada permukaan hidrofilik ditempatkan oleh inersia yang dihasilkan dari ujung bergerak, karena bergerak dari daerah hidrofilik. Serat polimer yang jatuh sedemikian rupa sangat tidak stabil karena kurangnya medan listrik pada permukaan hidrofobik. Gambar 6e menunjukkan serat yang dihasilkan dari penulisan langsung garis polimer ke substrat polimer hidrofilik. Perhatikan bahwa Gambar 6f merupakan pembesaran dari Gambar 6e. Data ini mengkonfirmasi bahwa pola polimer dapat ditarik langsung ke permukaan isolator dengan permukaan hidrofilik seperti yang akan digambarkan pada permukaan elektroda.
Gambar film electrospun jarak dekat pada a permukaan hidrofobik dan b permukaan hidrofilik. Gambar serat polimer yang ditulis langsung ke substrat polimer dengan permukaan hidrofobik (kiri) dan permukaan hidrofilik (kanan); c foto kamera digital dan d mikrograf digital. Gambar serat polimer electrospun ditulis langsung pada permukaan hidrofilik; e foto kamera digital dan f mikrograf digital
Kesimpulan
Kami memperkenalkan metode baru untuk electrospinning ke substrat isolasi terlepas dari ketebalan substrat. Perlakuan plasma dari substrat akrilik menghasilkan permukaan hidrofilik. Dalam lingkungan dengan kelembaban tinggi yang sesuai, molekul air teradsorpsi untuk membentuk lapisan tipis yang bertindak sebagai elektroda pentanahan. Nanofiber electrospun diendapkan pada substrat polimer fleksibel menggunakan metode ini dan tidak ada perbedaan yang signifikan dari morfologi serat electrospun dari electrospinning konvensional. Juga ditunjukkan bahwa serat polimer dapat ditulis langsung pada permukaan hidrofilik substrat hidrofobik menggunakan elektrospinning medan dekat. Meningkatkan kelembaban lokal di sekitar substrat polimer memungkinkan electrospinning ke permukaan isolator. Hasil yang menarik ini kontras dengan asumsi umum bahwa electrospinning harus dilakukan pada kelembaban rendah. Daerah spesifik dari substrat polimer dapat ditentukan untuk deposisi serat electrospun dengan mengontrol keterbasahan substrat secara selektif. Oleh karena itu, pola serat dimungkinkan tanpa proses yang relatif kompleks dan mahal, seperti teknik berbasis sistem mikroelektromekanis (MEMS), yang saat ini digunakan untuk membuat elektroda berpola mikro. Selain itu, kami percaya bahwa electrospinning menggunakan bahan konduktif seperti karbon nanotube atau polimer konduktor dapat diterapkan untuk membuat elektroda pada substrat fleksibel yang dapat digunakan pada perangkat yang dapat dikenakan.
