Fabrikasi High-Throughput dari Nanofibers Berkualitas Menggunakan Electrospinning Permukaan Bebas yang Dimodifikasi
Abstrak
Berdasarkan bubble electrospinning (BE), sebuah modifikasi free surface electrospinning (MFSE) menggunakan nosel udara berbentuk kerucut yang dikombinasikan dengan reservoir larutan yang terbuat dari tabung tembaga dihadirkan untuk meningkatkan produksi serat nano berkualitas. Dalam proses MFSE, natrium dodesil benzena sulfonat (SDBS) ditambahkan dalam larutan electrospun untuk menghasilkan gelembung pada permukaan cairan. Efek dari tegangan yang diterapkan dan gelembung yang dihasilkan pada morfologi dan produksi serat nano diselidiki secara eksperimental dan teoritis. Hasil analisis teoritis medan listrik sesuai dengan data eksperimen dan menunjukkan bahwa kualitas dan produksi serat nano meningkat dengan meningkatnya tegangan yang diberikan, dan gelembung yang dihasilkan akan menurunkan kualitas dan produksi serat nano.
Latar Belakang
Electrospinning telah diakui sebagai teknik sederhana dan efisien untuk produksi serat nano polimer. Karena luas permukaan yang tinggi, energi permukaan yang tinggi, dan aktivitas permukaan yang tinggi et al., nanofibers electrospun dapat digunakan dalam berbagai aplikasi seperti kain bukan tenunan [1], serat yang diperkuat [2], sistem penghantaran obat [3] , rekayasa jaringan [4], sel bahan bakar [5], komposit [6], filtrasi [7], fotonik [8], sensorik [9], superkapasitor [10], pembalut luka [11], dan sebagainya [12, 13,14,15].
Electrospinning jarum tunggal konvensional menghambat penerapan nanofibers untuk aplikasi komersial karena produksinya yang rendah, biasanya pada tingkat 0,01-0,1 g/jam [16]. Sangat diinginkan untuk mendapatkan produksi besar-besaran dari serat nano berkualitas untuk memperluas aplikasi serat nano. Banyak upaya telah dikonsentrasikan pada peningkatan produksi teknik electrospinning. Ding dkk. [17] berhasil memutar serat dengan menggunakan sistem electrospinning multi-jarum. Dosunmu dkk. [18] mengembangkan teknik electrospinning yang dilengkapi dengan tabung berpori. Yarin dkk. [19] mempresentasikan free surface electrospinning (FSE) untuk produksi massal serat nano berdasarkan kombinasi medan magnet dan listrik normal yang bekerja pada sistem dua lapis. Jirsak dkk. [20] mematenkan FSE menggunakan roller horizontal yang berputar sebagai generator nanofiber. Wang dkk. [21] mendemonstrasikan electrospinning tanpa jarum baru menggunakan kumparan kawat logam berbentuk kerucut sebagai pemintal. Lu dkk. [22] melaporkan teknik electrospinning throughput tinggi baru dengan kerucut berputar logam besar sebagai pemintal. Qin dkk. [23] mempresentasikan pengaturan FSE menggunakan pemintal tembaga berbentuk piramida satu langkah untuk membentuk beberapa jet. Chen dkk. [24] menggunakan pompa gas untuk menghasilkan gelembung pada permukaan cairan untuk menghasilkan beberapa jet. Liu dkk. [25] mengusulkan teknik electrospinning menggunakan needle-disk sebagai pemintal untuk meningkatkan throughput nanofiber. Selain itu, simulasi numerik untuk nanofluida [26] disajikan untuk meneliti dinamika jet bermuatan. Dan efek dari berbagai parameter, seperti medan listrik [27] dan medan magnet [28], pada perilaku nanofluida, dilakukan secara sistematis.
Dalam makalah ini, free surface electrospinning (MFSE) yang dimodifikasi menggunakan nosel udara berbentuk kerucut yang dikombinasikan dengan reservoir larutan yang terbuat dari tabung tembaga disajikan untuk mendapatkan fabrikasi throughput tinggi dari serat nano berkualitas berdasarkan bubble electrospinning (BE) [24]. Nozzle yang dikombinasikan dengan reservoir larutan yang terbuat dari tabung tembaga digunakan untuk menghasilkan beberapa jet untuk memulai proses electrospinning. Efektivitas MFSE dipelajari secara eksperimental dengan mengukur distribusi diameter dan throughput nanofibers. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kualitas dan produksi nanofibers meningkat dengan meningkatnya tegangan yang diberikan. Dibandingkan dengan BE, MFSE dapat menghasilkan nanofibers di bawah tegangan yang diterapkan jauh lebih tinggi yang akan mengakibatkan penurunan diameter nanofiber, meningkatkan distribusi diameter, dan meningkatkan throughput nanofiber.
Agen aktif permukaan umumnya digunakan untuk menurunkan tegangan permukaan larutan polimer, yang secara signifikan mempengaruhi pembentukan gelembung. Akibatnya, pembentukan dan stabilisasi gelembung sangat tergantung pada komposisi dan sifat fisikokimia bahan aktif permukaan yang digunakan [29]. Sebelumnya, kami menemukan bahwa bahkan hanya sedikit natrium dodesil benzena sulfonat (SDBS), zat aktif permukaan, dapat secara signifikan mengurangi tegangan permukaan, memfasilitasi proses pemintalan, dan meningkatkan sifat mekanik serat nano electrospun polyvinyl alcohol (PVA) [30] ]. Oleh karena itu, SDBS ditambahkan pada larutan electrospun untuk menghasilkan gelembung-gelembung pada permukaan cairan pada penelitian ini. Pengaruh gelembung pada morfologi dan produksi serat nano diselidiki secara eksperimental dan teoritis. Hasil analisis teoritis medan listrik sesuai dengan data eksperimen dan menunjukkan bahwa gelembung akan menurunkan kualitas dan produksi serat nano.
Metode
Materi
PVA dengan polimerisasi 1750 ± 50 ° dan SDBS dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Larutan berair PVA dengan konsentrasi 7% berat dibuat dengan melarutkan bubuk PVA dalam air deionisasi. Dan 0,3 berat SDBS dilarutkan dalam larutan PVA. Kemudian larutan diaduk pada suhu 90°C selama 2 jam hingga homogen. Semua bahan kimia memiliki tingkat analitis dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Aparat MFSE
Skema peralatan MFSE ditunjukkan pada Gambar. 1. Peralatan terdiri dari generator listrik tegangan tinggi variabel (0–150 kV, TRC2020, Dalian Teslaman Technology Co., LTD), pompa gas (TEION4500co, Eiko, Jepang ), nosel udara berbentuk kerucut melingkar kanan dengan tabung gas, reservoir larutan vertikal yang terbuat dari tabung tembaga dengan diameter dalam 40 mm dan tinggi 30 mm, dan kolektor yang diarde di atas reservoir. Ketinggian nosel udara berbentuk kerucut adalah 20 mm; diameter bagian dalam alasnya adalah 40 mm dan diameter atasnya adalah 1,5 mm. Nosel terbuat dari polietilen (PE), dan bagian atasnya harus rata dengan bagian atas reservoir larutan tembaga. Terminal positif generator listrik terhubung langsung ke reservoir solusi. Tegangan yang disuplai oleh generator listrik ditetapkan sebagai tegangan putar.
Skema peralatan MFSE
Namun, reservoir larutan peralatan BE terbuat dari tabung polimer. Dan tabung polimer tipis sebagai nosel dipasang di tengah dasar reservoir. Jarum logam tipis, sebagai elektroda positif, melewati nosel. Nozel dan jarum dimasukkan melalui bagian bawah reservoir dan terhubung dengan pompa bensin dan generator, masing-masing. Elektroda logam akan menyebabkan tegangan yang diberikan lebih rendah. Dibandingkan dengan BE, MFSE dapat menghasilkan nanofibers di bawah tegangan yang diterapkan jauh lebih tinggi yang akan menghasilkan peningkatan throughput nanofiber.
Proses MFSE
Menurut Ref. [23, 29] dan pekerjaan kami sebelumnya [30], parameter electrospinning ditetapkan sebagai berikut:konsentrasi PVA 7 wt%, konsentrasi SDBS 0,3 wt%, tegangan yang diterapkan bervariasi dari 30 hingga 70 kv, dan jarak kerja dari nozzle ke kolektor yang diarde adalah 13 cm. Eksperimen MFSE dilakukan pada suhu kamar (20 °C) dengan kelembaban relatif 60%.
Solusi PVA dituangkan ke dalam reservoir, dan permukaan cairan lebih tinggi dari nozzle. Menyalakan katup gas secara perlahan, permukaan cairan membentuk busur di sekitar nosel karena tegangan permukaan larutan yang tinggi. Setelah medan elektronik diterapkan dan tegangan melebihi tegangan ambang, beberapa pancaran dimulai pada permukaan cairan cembung, lihat Gambar 2.
Foto MFSE tanpa SDBS. a Foto permukaan cairan dan b foto proses pemintalan
Beberapa gelembung, yang diameternya bervariasi dari 10 hingga 30 mm, dihasilkan pada permukaan bebas larutan polimer dengan penambahan SDBS. Gelembung-gelembung ini akan pecah menjadi yang sangat kecil di permukaannya. Ketika tegangan permukaan gelembung kecil dikurangi menjadi nilai kritis yang dapat diatasi oleh medan listrik yang diterapkan, beberapa pancaran dikeluarkan dari gelembung ke kolektor, lihat Gambar 3.
Foto MFSE dengan penambahan SDBS. a Foto permukaan cairan dan b foto proses pemintalan
Pengukuran dan Karakterisasi
Pergerakan jet diamati oleh kamera definisi tinggi pada kecepatan bingkai 25.000 bingkai/dtk (KEYENCE, VW-9000, Jepang). Diameter dan susunan nanofibers PVA electrospun dikarakterisasi menggunakan pemindaian mikroskop elektron (SEM; Hitachi S-4800, Jepang). Semua sampel dikeringkan pada suhu kamar dan kemudian dilapisi dengan emas oleh IB-3 (Eiko, Jepang) selama 10 menit. Karakterisasi morfologi matriks dan diameter fibrous dilakukan dengan menggunakan software Image J (National Institute of Mental Health, USA). Distribusi medan listrik dihitung oleh Maxwell 2D (ANSOFT Corporation, USA).
Hasil dan Diskusi
Pengaruh Tegangan Terapan pada Nanofiber PVA
Morfologi nanofiber PVA yang diperoleh menggunakan MFSE dan BE masing-masing dilakukan oleh SEM. Gambar SEM dan distribusi diameter nanofibers yang sesuai dengan tegangan yang diterapkan berbeda dalam proses MFSE ditunjukkan pada Gambar. 4a, dan gambar BE ditunjukkan pada Gambar. 4b. Ketika tegangan yang diterapkan adalah 30 kV, diameter rata-rata serat nano yang diperoleh MFSE adalah 148 ± 8,53 nm dan BE adalah 190 ± 8,26 nm. Terlihat bahwa nanofiber PVA yang dihasilkan oleh MFSE lebih halus dan homogen dibandingkan dengan BE. Dan distribusi diameter lebih homogen dengan meningkatnya tegangan yang diberikan pada proses MFSE.
Gambar SEM dari serat nano PVA. a MFSE dengan tegangan yang berbeda, (a-1 30 kV, a-2 40 kV, a-3 50 kV, a-4 60 kV, a-5 70 kV);. b BE (30 kV). Sisipkan :foto proses BE. Angka yang tepat adalah distribusi diameter yang sesuai
Gambar 5 dan 6 menunjukkan pengaruh tegangan yang diterapkan pada diameter rata-rata dan produksi serat nano PVA yang disiapkan oleh MFSE. Jelas bahwa ketika tegangan yang diberikan lebih rendah dari 30 kV, sangat sedikit pancaran yang dihasilkan karena gaya listrik tidak cukup untuk mengatasi tegangan permukaan. Namun, ketika tegangan yang diberikan adalah 70 kV, gaya listrik yang dihasilkan akan mempercepat gerakan pancaran ke atas dengan cepat. Dan gerakan ke atas yang sangat dipercepat tidak akan meregangkan jet lebih jauh menjadi serat yang lebih kecil. Oleh karena itu, dengan peningkatan tegangan yang diterapkan dalam proses MFSE, diameter rata-rata menurun terlebih dahulu dan kemudian meningkat, dan produksi meningkat. Jelas bahwa tegangan yang diberikan memainkan peran penting dalam proses MFSE, yang secara langsung mempengaruhi produksi serat nano.
Pengaruh tegangan yang diterapkan pada diameter rata-rata
Produksi dengan tegangan yang diterapkan berbeda menggunakan MFSE
Namun, reservoir larutan di mana elektroda logam difiksasi dibuat dari tabung polimer dalam pengaturan BE. Terminal positif generator listrik terhubung ke elektroda logam yang menyebabkan tegangan yang diberikan lebih rendah. Oleh karena itu, produksi serat nano yang disiapkan oleh BE hanya 3 g/jam [24].
Pengaruh SDBS pada Nanofiber PVA
Pada proses MFSE, penambahan SDBS pada larutan PVA dapat secara efektif menurunkan tegangan permukaan larutan dan menimbulkan gelembung pada permukaan cairan. Tabel 1 menunjukkan peningkatan konduktivitas listrik dan penurunan tegangan permukaan larutan PVA dengan penambahan SDBS. Gambar 7 dan 8 mengilustrasikan gambar SEM dan distribusi diameter serat nano yang sesuai yang diperoleh dari larutan PVA dengan SDBS 0,3 berat pada tegangan yang diterapkan 60 kV dengan waktu pemintalan. Terlihat bahwa diameter keuntungan nanofiber yang dihasilkan dari larutan PVA dengan SDBS 0,3 %berat lebih besar dibandingkan dengan nanofiber yang dihasilkan dari larutan PVA murni. Dan dengan bertambahnya waktu pemintalan, MFSE membuat distribusi diameter serat nano PVA memiliki sedikit perubahan, dan produksi serat nano PVA adalah 12,5 g/jam. Hasil penelitian menunjukkan gelembung yang dihasilkan akan meningkatkan diameter nanofiber dan menurunkan produksi nanofiber. Itu mungkin karena pembentukan gelembung, deformasi, dan energi pemborosan yang dapat digunakan untuk meregangkan jet lebih jauh menjadi serat yang lebih kecil. Selain itu, hilangnya energi dapat membuat jet bermuatan bergerak lebih lambat selama proses MFSE, dan produksi nanofiber menurun.
Gambar SEM dari serat nano PVA disiapkan oleh MFSE pada waktu pemintalan yang berbeda (a-1 5 mnt, a-2 10 mnt, a-3 15 mnt, a-4 20 mnt, a-5 :25 mnt). Angka yang tepat adalah distribusi diameter yang sesuai
Pengaruh waktu pemintalan pada diameter rata-rata serat nano PVA yang disiapkan oleh MFSE
Sifat mekanik, seperti kekuatan tarik dan perpanjangan putus, membran nanofiber PVA tanpa dan dengan SDBS ditunjukkan pada Tabel 2. Terlihat bahwa kekuatan tarik dan perpanjangan putus membran nanofiber meningkat dengan penambahan dari SDBS. Artinya, penambahan SDBS dapat meningkatkan sifat mekanik membran nanofiber PVA.
Analisis Teoretis
Karena medan listrik adalah kekuatan pendorong utama untuk menghasilkan jet [23], inisiasi jet ditentukan oleh intensitas medan listrik dan area dengan intensitas medan listrik yang lebih tinggi menghasilkan jet dengan lebih mudah [25]. Untuk mengungkap fenomena eksperimental, distribusi medan listrik di sekitar permukaan bebas dan gelembung dihitung masing-masing dengan Maxwell 2D.
Gambar 9 menunjukkan hasil simulasi distribusi medan listrik di sekitar permukaan bebas dan gelembung dengan jarak kerja 13 cm dan tegangan yang diberikan 60 kV. Untuk proses MFSE yang diselidiki, simulasi 2D yang ditampilkan dilakukan untuk parameter proses berikut:reservoir tembaga sebagai kutub positif berbentuk persegi panjang dengan lebar 40 mm dan tinggi 30 mm, konduktivitas listrik tembaga adalah 5,8 × 10
11
us/cm, jarak kerja 130 mm, tegangan yang diterapkan 60 kV, dan diameter gelembung 20 dan 25 mm, tegangan permukaan larutan PVA 7 berat tanpa dan dengan SDBS adalah 45 dan 33 mN/m, dan konduktivitas listrik dari larutan ini masing-masing adalah 8,8 dan 43 us/cm.
Simulasi distribusi medan listrik pada 60 kV (jarak kerja 13 cm). a sekitar permukaan bebas. b di sekitar gelembung
Gambar 9a mengeksplorasi bahwa medan listrik pada bagian melengkung dari permukaan bebas sangat heterogen dan tinggi, menunjukkan bahwa situs tersebut harus lebih efisien untuk menghasilkan jet sendiri. Dan tepi reservoir solusi memiliki intensitas medan listrik yang jauh lebih tinggi daripada permukaan bebas karena bahan logam reservoir. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2, sejumlah jet dimulai di sekitar bagian melengkung dari permukaan bebas. Dan intensitas medan listrik yang lebih tinggi di sekitar tepi daripada di permukaan bisa menjadi alasan utama bahwa jet pertama kali dihasilkan dari tepi reservoir solusi. Namun, beberapa jet dihasilkan dari gelembung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Gambar 9b mengungkapkan bahwa gelembung memiliki intensitas medan listrik yang lebih rendah daripada bagian melengkung dari permukaan bebas. Karena gaya elektrostatik adalah kekuatan pendorong utama untuk mempercepat pergerakan jet, jet akan bergerak lebih cepat di bawah medan listrik yang lebih tinggi. Oleh karena itu, medan listrik yang lebih tinggi pada bagian lengkung permukaan bebas daripada gelembung dapat menjadi alasan utama bahwa gelembung yang dihasilkan akan meningkatkan diameter nanofiber dan menurunkan produksi nanofiber. Hasil analisis teoretis sesuai dengan hasil eksperimen.
Kesimpulan
Dalam makalah ini, elektrospinning permukaan bebas efek tinggi menggunakan nosel udara berbentuk kerucut yang dikombinasikan dengan reservoir larutan yang terbuat dari tabung tembaga berhasil dikembangkan untuk mendapatkan fabrikasi throughput tinggi serat nano berkualitas untuk waktu pemintalan yang lama. Efek dari tegangan yang diberikan pada kualitas dan produksi serat nano diselidiki secara sistematis, dan hasilnya menunjukkan kualitas dan produksi serat nano meningkat dengan peningkatan tegangan yang diberikan. Dibandingkan dengan BE, MFSE dapat menghasilkan nanofibers di bawah tegangan yang diterapkan jauh lebih tinggi yang akan mengakibatkan penurunan diameter nanofiber, meningkatkan distribusi diameter, dan meningkatkan throughput nanofiber.
Selain itu, zat aktif permukaan, SDBS, ditambahkan dalam larutan electrospun untuk menghasilkan gelembung pada permukaan bebas larutan dalam proses MFSE. Efek gelembung pada morfologi dan produksi nanofiber diselidiki secara eksperimental. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan bertambahnya waktu pemintalan, MFSE membuat distribusi diameter nanofiber PVA sedikit berubah, dan gelembung yang dihasilkan akan menurunkan kualitas dan produksi nanofiber. Akhirnya, distribusi medan listrik di sekitar permukaan bebas dan gelembung dihitung masing-masing dengan Maxwell 2D, dan hasil simulasi sesuai dengan hasil eksperimen.
