Optimasi Statistik Proses Elektrospinning Sol–Gel Kondisi untuk Pembuatan Bundel Nanofiber Poliamida 6/66
Abstrak
Nanofiber polimer banyak dipelajari dalam industri tekstil karena dengan mereka, dimungkinkan untuk mendapatkan berbagai macam fungsi. Pada paper ini dibuat larutan poliamida 6/66 (PA 6/66) pada konsentrasi yang berbeda (12, 17, dan 22% wt.), untuk mendapatkan serat nano melalui proses dasar electrospinning yang ditandai dengan scanning electron microscope (SEM). dan produktivitas. Setelah itu, bundel nanofiber diproduksi menggunakan proses sol-gel electrospinning, yang ditandai dengan SEM dan uji tarik. Dari hasil optimasi statistik berdasarkan one-way analysis of variance (ANOVA) dengan post hoc Tukey HSD, ditemukan bahwa bundel nanofiber dengan produktivitas lebih tinggi (1,39 ± 0,15 mg/mnt), draw ratio (9.0 ± 1.2), dan kekuatan tarik (29,64 ± 7,40 MPa) diperoleh dengan konsentrasi 17%. Akhirnya, karakterisasi termal melalui kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) dilakukan, menemukan bukti Tg dan Tm pengurangan serat nano dalam kaitannya dengan pelet PA 6/66 dan bundel serat nano.
Latar Belakang
Nylon adalah polimer diklasifikasikan sebagai poliamida yang ditemukan oleh Wallace Hume Carothers pada tahun 1934; itu diproduksi sebagai serat dan plastik tergantung pada kondisi pemrosesan [1]. Secara komersial, ada berbagai jenis nilon, nilon 6, nilon 66, nilon 6, 10, dll, yang memiliki kesamaan gugus fungsi amida (–CO-NH-) [2]. Polimer ini digunakan untuk memproduksi film tiup dan monofilamen melalui proses pemintalan, dan dapat dikopolimerisasi. Seperti halnya nilon 6/66 yang diproduksi dengan suhu leleh yang lebih rendah dibandingkan dengan nilon 6. Dalam beberapa tahun terakhir, nilon telah digunakan dalam berbagai aplikasi seperti stoking wanita, parasut, ritsleting, tali pancing, kerudung pengantin, karpet , senar musik, dan tali [3].
Proses transformasi filamen konvensional dan benang nilon adalah pemintalan basah, pemintalan kering, dan pemintalan gel dan memungkinkan untuk memproduksi filamen berdiameter antara 20 dan 400 m [4]. Proses ini, yang dilakukan dari larutan polimer, bergantung pada konsentrasi, karena variasinya mempengaruhi rasio peregangan dan akibatnya sifat mekanik serat [5].
Proses electrospinning [6] digunakan, bahkan pada skala nanometer, untuk mendapatkan serat nilon dengan diameter yang lebih kecil [7]. Hal ini juga memungkinkan untuk membuat serat nano polimer dengan polaritas, porositas, dan diameter yang dapat disesuaikan yang juga dapat disesuaikan dengan berbagai ukuran dan bentuk. Selain itu, dengan menggunakan teknik ini dimungkinkan untuk mengontrol sifat, fungsi, dan komposisi serat nano melalui konsentrasi polimer dan parameter electrospinning [8]. Ramkrisna dkk. [9] menegaskan bahwa hasil morfologi dari proses electrospinning menyajikan ketergantungan konsentrasi tinggi, seperti cara yang sama dengan proses pemintalan konvensional [5]; karena konsentrasi yang lebih tinggi mengarah ke viskositas yang lebih tinggi dalam larutan polimer, untuk alasan ini, studi artikel ini mengevaluasi konsentrasi polimer sebagai variabel unik dalam desain unifaktorial. Hal ini penting untuk mengevaluasi kemungkinan dilakukan pada skala industri.
Nanofiber polimer yang diperoleh melalui electrospinning dapat digunakan di berbagai bidang dalam industri:scaffold, sensor, filter, membran, baterai, pakaian pelindung, pembalut luka, dan katalis [10]. Di bidang tekstil, nanofiber digunakan untuk mendapatkan fungsionalitas tertentu seperti kain yang dapat membersihkan sendiri, anti virus dan bakteri, pengatur suhu, sensor, dan filter [11]. Juga, beberapa aplikasi tekstil lainnya telah dilaporkan sebagai pakaian antibakteri [12], pembalut luka [13], dan pakaian pelindung [14] berkat sifat kimia dan kekuatan mekaniknya.
Beberapa penelitian lain, terkait dengan proses electrospinning, mengadaptasinya ke bak koagulasi dan silinder tarik untuk mengembangkan proses sol-gel electrospinning (lihat Gbr. 1). Dengan yang terakhir, bundel nanofiber polivinil alkohol (PVA) dicirikan, diproduksi, dan diterapkan sebagai penguat sekunder dalam pasta semen Portland ultra-halus, mengurangi retraksi dan lebar celah pada usia awal pengaturan [15]. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan oleh Wu et al. [16], mereka menyiapkan dan mengkarakterisasi agregat nanofiber poliamida 6/66, melalui proses electrospinning, menggunakan dua gulungan kolektor yang diputar dengan kecepatan 300 r.p.m. Mereka menyatakan bahwa serat yang diperoleh memiliki berbagai aplikasi dalam perancah jaringan, penguat komposit dan sensor ultrasensitif [17]. Dengan menggunakan metodologi serupa di sini, kami menyajikan hasil dan optimasi statistik menggunakan ANOVA dengan uji post hoc Tukey HSD karakterisasi morfologi, produktivitas mekanis, dan termal dari bundel nanofiber poliamida 6/66 (PA 6/66) yang diperoleh melalui proses di mana pengaruh konsentrasi polimer pada sifat akhir dari serat yang dihasilkan untuk penggunaan selanjutnya di bidang tekstil dipelajari.
Proses sol-gel elektrospinning
Metode
Materi
PA 6/66, referensi Ultramid C40 L, merek Basf digunakan. Sebagai pelarut, campuran asam format dan asam asetat digunakan, dan air suling sebagai bak koagulasi.
Persiapan Larutan Poliamida
Solusi disiapkan pada konsentrasi yang berbeda dalam berat 12% berat, 17% berat, dan 22% berat, menggunakan campuran asam format dan asam asetat sebagai pelarut dalam hubungan massa 4:1 [18], pada suhu kamar dan pengadukan terus menerus.
Proses Electrospinning Dasar
Dalam semua proses yang dilakukan dengan larutan pada konsentrasi yang berbeda, tegangan 27,5 kV digunakan, disuplai oleh peralatan Model E30 Gamma High Voltage Research Inc. yang terhubung ke jarum logam yang ditempatkan pada 12 cm dari kolektor. Aliran larutan dikontrol oleh pompa jarum suntik dari Braintree Scientific Syringe Pump Brand Inc. yang disetel antara 0,3 dan 1 ml/jam.
Proses Sol–Gel Elektrospinning
Proses ini dilakukan dengan menggunakan bak koagulasi air suling dan sistem silinder tarik dengan kontrol kecepatan. Kami mendapatkan bundel nanofiber PA 6/66 pada tiga konsentrasi (12, 17, dan 22%), mengikuti desain unifaktorial yang sepenuhnya acak dengan tiga replika dan tingkat signifikansi α =0,05. Variabel yang diteliti adalah produktivitas deposit serat nano, draw ratio, dan kekuatan tarik bundel nanofiber. Penting untuk dicatat bahwa konsentrasi kurang dari 12% berat tidak dievaluasi, karena dalam pengujian pendahuluan kondisi ini tidak memungkinkan pembentukan serat nano electrospinning; dengan cara yang sama, tidak ada konsentrasi yang lebih besar dari 22% berat yang dievaluasi, karena viskositas yang dihasilkan sangat tinggi, menghambat agitasi dalam pembuatan larutan dan aliran selanjutnya dalam proses electrospinning. Selain itu, hanya konsentrasi ekstrim dan titik tengah yang diselidiki.
Teknik Karakterisasi
Untuk proses electrospinning dasar, untuk setiap konsentrasi, produktivitas (mg/min) dalam deposit tikar nanofiber electrospun PA 6/66 ditentukan. Setelah itu, dicirikan secara morfologis melalui pemindaian mikroskop elektron (SEM).
Untuk proses sol-gel electrospinning, setelah menyesuaikan variabel proses (tegangan, aliran, jarak jarum-kolektor), untuk mendapatkan jet electrospun yang stabil dan kontinu, ditentukan rasio penarikan proses, kemudian diperoleh bundel nanofiber PA 6/66. dikarakterisasi melalui SEM dan uji tarik. Terakhir, kondisi optimal proses dicirikan melalui differential scanning calorimetry (DSC).
SEM
Sampel dilapisi emas dalam mesin pelapis vakum [Denton Vacuum Desk IV] selama sekitar 200 detik. Pada akhirnya, mereka disimpan dalam pemegang sampel mikroskop elektron pemindaian (JEOL JSM 6490 LV, Jepang), dilengkapi dengan filamen tungsten. Setelah itu, kami menginduksi vakum 30 Pa di ruang untuk menghasilkan elektron, memindai, dan mendapatkan gambar. Kemudian, dengan perangkat lunak gambar, diameter nanofiber rata-rata diukur.
Uji Tarik
Tiga ratus utas bundel nanofiber diuji dengan mesin penguji (EZ-Test L, Shimadzu, Jepang) pada kecepatan uji coba 30 mm/mnt dan panjang referensi 50 mm sesuai dengan standar ASTM D3822.
DSC
Untuk menentukan transisi fase, teknik kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) digunakan mengikuti standar ASTM D3418-08 yang diterapkan pada analisis bahan polimer. Kami menggunakan kalorimeter pemindaian diferensial (DSC) (Instrumen TA, Q20, USA) dengan sampel 5 mg yang disimpan dalam cawan lebur aluminium tertutup rapat dan mengalami dua siklus pemanasan berturut-turut dari 25 hingga 250 °C pada 10 °C/menit kecepatan dengan isoterm 5 menit di antara setiap siklus. Perangkat Lunak TA Universal Analyzer®, yang disesuaikan dengan peralatan, memungkinkan untuk mendapatkan termogram untuk menentukan suhu transisi kaca dan fusi material.
Hasil dan Diskusi
Produktivitas Proses Electrospinning Dasar
Gambar 2 menunjukkan hasil produktivitas (mg/mnt) dalam deposit nanofiber selama proses electrospinning dasar pada konsentrasi yang berbeda. Untuk variabel ini, ANOVA menghasilkan p nilai 0,015. Ini menunjukkan bahwa setidaknya median berbeda. Kemudian dilakukan uji post hoc Tukey dan menunjukkan bahwa untuk variabel ini nilai produktivitas rata-rata pada konsentrasi 17 dan 22% adalah setara satu sama lain tetapi lebih tinggi dari yang diperoleh pada konsentrasi 12%.
Produktivitas proses electrospinning dasar
Karakterisasi Morfologi/Morfologi Nanofiber PA 6/66
Dengan menggunakan proses electrospinning dasar, serat nano PA 6/66 pada konsentrasi yang berbeda diproduksi. Hasilnya membuktikan bahwa dengan meningkatkan konsentrasi larutan polimer, diameter nanofiber meningkat seperti yang diamati pada mikrografi SEM pada Gambar 3. Hal ini disebabkan fakta bahwa peningkatan konsentrasi memiliki efek pengentalan reologi pada larutan [19] yang membuat sulit untuk mengurangi diameter karena kenaikan viskositas. Perilaku ini bertepatan dengan yang dilaporkan oleh Guerrini et al. [20], yang electrospun PA 6/66 nanofibers dengan berat molekul yang berbeda. Selain itu, ditentukan bahwa diameter rata-rata nanofibers dengan konsentrasi 17% meningkat sekitar 85% dibandingkan dengan nanofibers diperoleh dengan konsentrasi 12% dan 204% untuk nanofibers diperoleh dengan konsentrasi 22% dibandingkan dengan 17%. .
Gambar SEM dari serat nano electrospun PA 6/66 pada konsentrasi yang berbeda. a 12% berat, b 17% berat, dan c 22% berat
Menggambar Rasio dalam Proses Elektrospinning Sol–Gel
Gambar 4 menunjukkan hasil rasio penarikan yang diukur selama proses sol-gel electrospinning pada konsentrasi yang berbeda. Untuk variabel ini, ANOVA menghasilkan p nilai 0,000 yang menunjukkan bahwa setidaknya median berbeda. Kemudian, uji Tukey post hoc diterapkan yang menunjukkan bahwa untuk variabel ini, median rasio penarikan yang diperoleh pada konsentrasi 17% lebih tinggi daripada yang dihasilkan dari konsentrasi 12 dan 22%, yang setara satu sama lain.
Gambarkan rasio proses sol-gel elektrospinning
PA 6/66 Nanofiber Bundle Morfologi/Karakterisasi Morfologi
Dengan menggunakan proses sol-gel electrospinning, bundel nanofiber poliamida dibuat pada konsentrasi yang berbeda dalam larutan. Setelah mengukur diameternya, ditemukan bahwa rata-rata yang lebih kecil dicapai pada konsentrasi 17% seperti yang diamati pada mikrografi SEM pada Gambar 5. Bundel nanofiber yang dihasilkan dengan konsentrasi 17%, mencapai diameter hampir setengah dari yang diperoleh dengan 12 dan 22% konsentrasi masing-masing. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa proses dilakukan pada kecepatan ingatan serat yang lebih tinggi dan rasio penarikan yang lebih besar.
Gambar SEM dari bundel nanofiber poliamida 6/66 yang diperoleh melalui proses sol-gel electrospinning pada konsentrasi yang berbeda. a 12% berat, b 17% berat, dan c 22% berat
Kekuatan Tarik Nanofiber Bundle
Gambar 6 menyajikan diagram kotak dari kekuatan tarik, diukur pada bundel nanofiber yang diperoleh selama proses sol-gel electrospinning pada konsentrasi yang berbeda. Untuk variabel ini, ANOVA menghasilkan p nilai 0,005 menunjukkan bahwa setidaknya median berbeda. Selanjutnya dilakukan uji post hoc Tukey yang menunjukkan bahwa untuk variabel ini rata-rata kekuatan tarik bundel nanofiber yang diperoleh pada konsentrasi 17% lebih tinggi daripada hasil dari konsentrasi 12 dan 22% yang setara satu sama lain.
Kekuatan tarik bundel nanofiber poliamida 6/66 pada konsentrasi yang berbeda
Selain itu, hasil rata-rata kekuatan tarik yang diperoleh dengan konsentrasi nilon 17% (29,64 MPa) serupa dengan yang dilaporkan oleh Wu et al. [16] dalam penelitiannya mempresentasikan hasil dari 66 nanofiber poliamida yang pertama-tama di-electrospun dan kemudian dibengkokkan dengan nilai kekuatan mendekati 30 MPa.
Kondisi Proses Optimal
Hasil sebelumnya menunjukkan bahwa mengembangkan proses sol-gel electrospinning dari larutan PA 6/66 pada berat 17%. konsentrasi memungkinkan untuk menghasilkan bundel nanofiber dengan produktivitas yang lebih tinggi, rasio penarikan, dan kekuatan tarik. Selain itu, Gambar 7 menunjukkan, lebih dekat, bundel nanofiber yang memungkinkan untuk mengamati peningkatan kekasaran permukaan. Hal ini penting jika yang dimaksudkan adalah menggunakan serat ini sebagai penguat material komposit, karena serat ini memungkinkan fiksasi mekanis yang lebih baik pada matriks jika dibandingkan dengan serat sintetis konvensional yang biasanya memiliki permukaan halus. Selain itu, serat ini memiliki rasio luas terhadap volume yang tinggi dan rasio aspek yang tinggi, yang memberikan potensi dalam aplikasi dalam desain pakaian, filter, dan nanokomposit [21].
Gambar SEM dari permukaan bundel nanofiber PA 6/66
Analisis Termal DSC dari Bundel Nanofiber Kondisi Optimal
Dari kondisi optimal pada konsentrasi 17%, kami melakukan analisis termal dari setiap tahap transformasi sejak bahan dalam bentuk pelet, berubah menjadi nanofiber dan akhirnya berubah menjadi bundel nanofiber. Gambar 8 menunjukkan hasil uji kalorimetri yang diperoleh melalui DSC untuk setiap tahap.
Menghasilkan termogram bundel nanofiber kondisi optimal yang diperoleh melalui DSC
Berdasarkan termogram ini, kami menghitung suhu transisi gelas (Tg ), suhu leleh (Tm ), panas peleburan (ΔHm ), dan derajat kristalinitas (Xc ). Hasil ini dapat diamati pada Tabel 1.
Ini dapat diamati dari Tg hasil bahwa nanofibers pada konsentrasi 17% menunjukkan mobilitas antarmolekul yang lebih tinggi, dibandingkan dengan bundel nanofiber pada konsentrasi yang sama. Yang terakhir dijelaskan karena peningkatan mobilitas molekul disebabkan oleh kenaikan ruang rantai polimer yang disebut volume bebas, yang mengurangi interaksi di antara mereka. Dengan cara ini, rantai dengan mobilitas yang lebih besar memerlukan suhu yang lebih rendah untuk transisi dari padat vitreus ke karet, menghasilkan T yang lebih rendah g nilai.
Nilai suhu leleh dikaitkan dengan suhu yang diperlukan untuk melelehkan struktur yang tersusun (kristal) ke dalam polimer, dan variasinya terkait dengan ukuran kristal. Dapat dicatat bahwa nanofibers pada konsentrasi 17% menunjukkan nilai terendah pada suhu leleh dibandingkan dengan PA dan bundel nanofiber pada konsentrasi yang sama. Hal ini menunjukkan bahwa proses electrospinning dasar dan sol-gel electrospinning mengurangi jumlah daerah kristalin polimer dalam kaitannya dengan pelet, mengubahnya menjadi struktur fibril [22], yang melalui pemintalan dan rasio penarikan yang diterapkan, mengorientasikan rantai polimer. dan menunjukkan pemulihan di tingkat kristalinitas bundel nanofiber di 44,71% dibandingkan dengan nanofibers. Akhirnya, entalpi fusi mengungkapkan jumlah kristalinitas dalam polimer yang dianalisis [23], dan nilainya dikaitkan dengan energi yang dibutuhkan dalam fusi struktur kristal. Ini membuktikan bahwa serat nano pada konsentrasi 17% membutuhkan lebih sedikit energi untuk meleleh daripada struktur kristal dari bundel serat nano dan pelet PA 6/66.
Kesimpulan
Proses sol-gel elektrospinning poliamida 6/66 menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam produktivitas (1,39 ± 0,15 mg/mnt), rasio penarikan (9,0 ± 1,2), dan kekuatan tarik (29,64 ± 7,40 MPa) untuk konsentrasi 17% dalam berat dibandingkan ke dua konsentrasi yang diuji lainnya (12% berat dan 22% berat). Kondisi proses yang dioptimalkan secara statistik ini memungkinkan kami untuk mendapatkan bundel nanofiber PA 6/66 yang seragam dari proses yang stabil dan berkelanjutan.
