Produksi Tingkat Tinggi Nanofiber Berkualitas Tinggi melalui Elektrospinning Permukaan Bebas yang Dimodifikasi
Abstrak
Berdasarkan elektrospinning gelembung (BE), kami mengembangkan sistem elektrospinning permukaan bebas yang dimodifikasi (MFSE) yang mengintegrasikan sirkuit udara berbentuk kerucut dengan tangki tabung tembaga, secara signifikan meningkatkan hasil produksi nanofiber berkualitas tinggi. Proses MFSE menyisipkan sulfonat benzene dodekil natrium (SDBS) untuk menghasilkan gelembung permukaan. Kami memeriksa bagaimana tegangan yang diterapkan dan pembentukan gelembung mempengaruhi morfologi serat dan throughput melalui pengukuran eksperimental dan pemodelan teoritis. Distribusi medan listrik yang dihitung cocok dengan pengamatan eksperimental, mengonfirmasi bahwa tegangan yang lebih tinggi meningkatkan kualitas serat dan produksi, sementara keberadaan gelembung cenderung mengurangi keduanya.
Latar Belakang
Elektrospinning dianggap luas sebagai teknik sederhana dan kuat untuk menghasilkan serat polimer nano. Karena luas permukaan, energi permukaan, dan aktivitas permukaan yang tinggi, serat yang dihasilkan elektrospinning telah menemukan aplikasi di berbagai bidang—termasuk kain nonwoven[1], serat penguat[2], sistem pengiriman obat[3], teknik jaringan[4], sel bahan bakar[5], komposit[6], filtasi[7], fotonika[8], sensorik[9], superkapasitor[10], penatalukan luka[11], dan lainnya[12,13,14,15].
Elektrospinning jar tunggal tradisional, namun, menderita throughput rendah, biasanya hanya memberikan 0,01–0,1 g jam⁻¹[16]. Akibatnya, telah terjadi upaya yang terpadu untuk meningkatkan tingkat produksi. Kemajuan yang terlihat termasuk sistem multi-jar[17], desain tabung berpori[18], elektrospinning permukaan bebas (FSE) yang dipengaruhi oleh medan magnetik dan listrik[19], generator roller berputar[20], spinneret kawat logam kerucut berujung[21], spinneret kerucut logam besar berputar[22], spinneret tembaga berbentuk piramida[23], generator gelembung yang diinduksi pompa gas[24], dan spinneret cakram jar[25]. Simulasi numerik jet bermuatan dan studi efek listrik[27] dan magnetik[28] telah memperjelas dinamika jet[26].
Dalam pekerjaan ini, kami menyajikan platform elektrospinning permukaan bebas yang dimodifikasi (MFSE) yang menggabungkan sirkuit udara berbentuk kerucut dengan tangki tabung tembaga untuk mencapai pembuatan serat nano berkualitas tinggi dengan throughput tinggi, berdasarkan elektrospinning gelembung (BE)[24]. Tangki tembaga dan sirkuit menghasilkan banyak jet, memulai proses elektrospinning. Kami secara eksperimental mengukur distribusi diameter dan throughput, menunjukkan bahwa peningkatan tegangan yang diterapkan meningkatkan kualitas dan hasil. Dibandingkan BE, MFSE menahan tegangan yang lebih tinggi, menghasilkan serat yang lebih halus dengan distribusi diameter yang lebih sempit dan throughput yang jauh lebih tinggi.
Agen aktif permukaan rutin digunakan untuk menurunkan tegangan permukaan larutan polimer, sehingga memfasilitasi pembentukan dan stabilisasi gelembung[29]. Pekerjaan kami sebelumnya menunjukkan bahwa penambahan bahkan sedikit sulfonat benzene dodekil natrium (SDBS) secara signifikan menurunkan tegangan permukaan, mempromosikan pembentukan gelembung, dan meningkatkan kinerja mekanis serat nano alkohol polivinil (PVA) yang dihasilkan elektrospinning[30]. Oleh karena itu, kami menyisipkan SDBS ke dalam larutan elektrospinning untuk menghasilkan gelembung pada permukaan cairan. Kami menyelidiki dampak gelembung terhadap morfologi serat dan produksi baik secara eksperimental maupun teoritis, mengonfirmasi bahwa keberadaan gelembung cenderung menurunkan kualitas dan throughput.
Metode
Bahan
PVA (M_w ≈ 1750 ± 50 g mol⁻¹) dan SDBS dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, Cina). Larutan PVA air 7 wt % disiapkan dengan melarutkan serbuk PVA dalam air deion, kemudian menambahkan 0,3 wt % SDBS. Campuran diaduk pada 90 °C selama 2 jam hingga homogen. Semua reagen kelas analitik dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Apparatus MFSE
Setup MFSE diilustrasikan pada Gambar 1. Ini terdiri dari generator tegangan tinggi variabel (0–150 kV, TRC2020, Dalian Teslaman Technology Co., LTD), pompa gas (TEION4500co, Eiko, Jepang), sirkuit udara berbentuk kerucut tegak lurus dengan tabung gas, tangki tabung tembaga vertikal (diameter dalam = 40 mm, tinggi = 30 mm), dan kolektor yang diarutkan di atas tangki. Sirkuit memiliki tinggi 20 mm, diameter dasar 40 mm, dan diameter puncak 1,5 mm, terbuat dari polietilena (PE). Ujungnya rata dengan atas tangki. Terminal positif generator terhubung langsung ke tangki, menentukan tegangan spinning.
Skema apparatus MFSE
Sebaliknya, apparatus BE menggunakan tangki tabung polimer dengan sirkuit polimer tipis dan jar logam ramping yang berfungsi sebagai elektroda positif. Konfigurasi ini membatasi tegangan yang dapat diterapkan. Akibatnya, BE biasanya menghasilkan serat nano pada hanya ~3 g jam⁻¹ [24].
Proses MFSE
Mengikuti protokol yang diriset[23,29] dan pekerjaan kami sebelumnya[30], kami mengoperasikan sistem MFSE dengan parameter berikut: PVA 7 wt %, SDBS 0,3 wt %, tegangan yang diterapkan berkisar dari 30 hingga 70 kV, dan jarak kerja 13 cm antara sirkuit dan kolektor. Eksperimen dilakukan pada 20 °C dan 60 % kelembaban relatif.
Larutan PVA dituang ke dalam tangki, meningkatkan permukaan cairan di atas sirkuit. Saat klep gas dibuka secara bertahap, busa terbentuk di sekitar sirkuit karena tegangan permukaan. Ketika tegangan yang diterapkan melebihi ambang, banyak jet dimulai dari permukaan cakram cairan, seperti yang digambarkan pada Gambar 2.
Fotografi MFSE tanpa SDBS. a Permukaan cairan; b proses spinning
Penambahan SDBS menghasilkan gelembung (diameter 10–30 mm) pada permukaan bebas. Gelembung ini pecah menjadi yang lebih kecil, dan ketika tegangan permukaan yang diturunkan mencapai nilai kritis, banyak jet dikeluarkan dari permukaan gelembung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Fotografi MFSE dengan SDBS. a Permukaan cairan; b proses spinning
Pengukuran dan Karakterisasi
Dinamika jet direkam dengan kamera high-definition (25 000 fps, KEYENCE VW-9000, Jepang). Diameter dan morfologi serat dievaluasi melalui mikroskopi elektron pencitraan (SEM; Hitachi S-4800, Jepang). Sampel dikeringkan pada suhu kamar dan dilapisi emas (10 menit, IB-3, Eiko, Jepang). Distribusi diameter diukur menggunakan ImageJ (National Institute of Mental Health, USA). Simulasi medan listrik menggunakan Maxwell 2D (ANSOFT Corporation, USA).
Hasil dan Pembahasan
Efek Tegangan yang Diterapkan terhadap Serat Nano PVA
Gambar SEM dan distribusi diameter untuk serat MFSE dan BE pada berbagai tegangan ditunjukkan pada Gambar 4. Pada 30 kV, serat MFSE menunjukkan diameter rata-rata 148 ± 8,53 nm, sedangkan serat BE rata-rata 190 ± 8,26 nm—menunjukkan output MFSE yang lebih halus dan lebih homogen. Distribusi diameter menjadi lebih sempit dengan meningkatnya tegangan dalam proses MFSE.
Gambar SEM serat nano PVA. a MFSE pada berbagai tegangan yang diterapkan (a‑1 30 kV, a‑2 40 kV, a‑3 50 kV, a‑4 60 kV, a‑5 70 kV); b BE (30 kV). Inset: foto proses BE. Gambar kanan adalah distribusi diameter yang sesuai.
Gambar 5 dan 6 menggambarkan bagaimana tegangan yang diterapkan mempengaruhi diameter rata-rata dan produksi dalam MFSE. Di bawah 30 kV, jarang karena gaya listrik yang tidak mencukupi. Pada 70 kV, gaya listrik mempercepat kenaikan jet, namun kenaikan yang cepat mengurangi peregangan lebih lanjut, menghasilkan tren diameter yang tidak monotonik: penurunan awal diikuti oleh kenaikan ringan. Produksi, justru, meningkat secara stabil dengan tegangan. Temuan ini mengonfirmasi peran penting tegangan dalam kinerja MFSE.
Efek tegangan yang diterapkan terhadap diameter rata-rata
Produksi terhadap tegangan yang diterapkan menggunakan MFSE
Karena elektroda positif sistem BE adalah jar polimer, ia beroperasi pada tegangan yang lebih rendah, membatasi produksi pada ~3 g jam⁻¹ [24].
Efek SDBS terhadap Serat Nano PVA
Tabel 1 melaporkan konduktivitas listrik yang ditingkatkan dan tegangan permukaan yang diturunkan dari larutan PVA dengan 0,3 wt % SDBS. Gambar 7 dan 8 menyajikan gambar SEM dan distribusi diameter untuk serat yang dihasilkan dari larutan yang mengandung SDBS pada 60 kV selama waktu spinning yang bervariasi. Meskipun diameter rata-rata lebih besar dari PVA murni, distribusi diameter tetap stabil seiring waktu, dan throughput mencapai 12,5 g jam⁻¹. Hasil ini menunjukkan bahwa pembentukan gelembung, sambil meningkatkan diameter, sedikit menurunkan produksi—kemungkinan karena kehilangan energi dalam deformasi dan pecahan gelembung, yang mengurangi percepatan jet dan oleh karena itu throughput.
Gambar SEM serat nano PVA yang disiapkan oleh MFSE pada berbagai waktu spinning (a‑1 5 menit, a‑2 10 menit, a‑3 15 menit, a‑4 20 menit, a‑5 25 menit). Gambar kanan adalah distribusi diameter yang sesuai.
Efek waktu spinning terhadap diameter rata-rata serat nano PVA yang disiapkan oleh MFSE
Pengujian mekanis membran yang dibuat dari PVA dengan dan tanpa SDBS diringkas dalam Tabel 2. Kekuatan tarik dan peregangan hingga patah keduanya ditingkatkan dengan penambahan SDBS, menekankan peran surfaktan dalam meningkatkan kinerja mekanis.
Analisis Teoritis
Karena medan listrik adalah penggerak primer pembentukan jet, kami memodelkan distribusi medan di sekitar permukaan bebas dan gelembung menggunakan Maxwell 2D. Gambar 9 menampilkan medan yang disimulasikan untuk jarak kerja 13 cm dan tegangan yang diterapkan 60 kV, mempertimbangkan tangki tembaga (40 mm × 30 mm), diameter gelembung 20 mm dan 25 mm, dan properti larutan (tegangan permukaan 45 mN m⁻¹ untuk PVA murni, 33 mN m⁻¹ dengan SDBS; konduktivitas 8,8 µS cm⁻¹ dan 43 µS cm⁻¹, masing-masing).
Simulasi distribusi medan listrik pada 60 kV (jarak kerja 13 cm). a Di sekitar permukaan bebas; b Di sekitar gelembung.
Gambar 9a menunjukkan medan yang sangat heterogen dan intens pada permukaan cakram yang melengkung, terutama di tepi tangki—wilayah di mana jet pertama kali muncul. Sebaliknya, gelembung menunjukkan intensitas medan yang lebih rendah, menjelaskan mengapa jet yang diinduksi gelembung beregangan lebih sedikit dan berkontribusi pada diameter serat yang lebih besar dan throughput yang lebih rendah. Prediksi teoretis selaras dengan pengamatan eksperimental.
Kesimpulan
Kami memperkenalkan sistem elektrospinning permukaan bebas yang dimodifikasi yang menggabungkan sirkuit udara berbentuk kerucut dengan tangki tabung tembaga, memungkinkan pembuatan serat nano berkualitas tinggi dengan throughput tinggi untuk periode spinning yang lama. Studi sistematis mengonfirmasi bahwa peningkatan tegangan yang diterapkan meningkatkan baik kualitas serat maupun produksi. Dibandingkan elektrospinning gelembung, MFSE menahan tegangan yang lebih tinggi, menghasilkan serat yang lebih halus, distribusi diameter yang lebih rapat, dan throughput yang jauh lebih tinggi.
Penyisipan SDBS ke dalam larutan PVA menghasilkan gelembung permukaan, yang sambil sedikit meningkatkan diameter serat, juga sedikit mengurangi produksi—kemungkinan karena kehilangan energi selama pembentukan dan pecahan gelembung. Pengujian mekanis menunjukkan bahwa SDBS meningkatkan kekuatan tarik dan peregangan hingga patah membran yang dihasilkan.
Simulasi medan listrik menggunakan Maxwell 2D memperkuat temuan eksperimental, menunjukkan bahwa intensitas medan yang lebih tinggi di permukaan bebas mendorong pembentukan jet secara lebih efektif daripada di lokasi gelembung.
