Elektrospinning pada Substrat Insulasi melalui Basmabilitas Permukaan dan Kontrol Kelembaban Lokal

Latar Belakang

Elektrospinning—metode ekonomis untuk menghasilkan serat nano kontinu dalam rentang sub‑mikrometer—bergantung pada medan listrik yang dihasilkan antara sumber tegangan tinggi, spinneret, dan pengolek. Secara tradisional, pengolek adalah substrat konduktif (misalnya, logam) yang berfungsi sebagai elektroda ground, memastikan medan listrik yang stabil. Khi substrat non‑konduktif diperlukan, lapis konduktif eksternal harus ditambahkan untuk memberikan grounding [4].

Banyak aplikasi industri memerlukan depoziasi pada polimer insulasi fleksibel [6]. Karya sebelumnya telah mencapai ini hanya untuk lapis insulasi yang sangat tipis (≤100 µm) atau dengan menggunakan teknik elektrohidrodinamis AC pulse‑modulasi yang kompleks yang memerlukan peralatan khusus [7]. Meskipun elektrospinning pada elektrolit cair telah dieksplorasi [9–12], pendekatan yang sederhana dan dapat diskalakan untuk substrat insulasi sembarang masih sulit dicapai.

Kami memperkenalkan metode yang mengeksploitasi konduktivitas lapisan air terserap pada permukaan hidrofilik dalam lingkungan kelembaban tinggi. Lapisan monolaer air yang tipis dapat konduktif pada kelembaban relatif (RH) di atas 50 % [13]. Dengan mengontrol kelembaban lokal di sekitar polimer yang dirawat plasma, air terserap bertindak sebagai elektroda ground, memungkinkan elektrospinning independis dari ketebalan substrat dan kompatibel dengan pengaturan konvensional.

Metode

Persiapan Substrat Polimer Hidrofilik

Lem akrilik tebal 500‑µm dengan permukaan hidrofobik alami dirawat dengan plasma oksigen selama 30 detik (CUTE, Femto Science, Korea). Perlakuan ini memperkenalkan grup silanol (SiOH) dan mengurangi sudut kontak air dari 81,3° menjadi 36,7°, mengonfirmasi hidrofilisasi yang berhasil [14]. Hidrofilisasi selektif dicapai dengan memasker wilayah sebelum paparan plasma.

Pengaturan Elektrospinning

Elektrospinning dilakukan pada suhu kamar (≈22 °C) dan RH sedang (40–50 %). Larutan polyuretan (PU) 10 wt % (Pellethane 2363‑80AE; Lubrizol, USA) yang dilarutkan dalam campuran THF/DMF 80/20 (v/v) berfungsi sebagai cairan spinning. Untuk studi perbandingan, serat PU di deponi pada pengolek akrilik yang menggabungkan wilayah hidrofilik dan hidrofobik (Gambar 1a).

Skema proses elektrospinning pada substrat polimer dengan kontrol kelembaban lokal (a) dan close‑up wilayah batas (b).

Kontrol Kelembaban Lokal

Untuk meningkatkan kelembaban di samping pengolek, kertas basah ditempatkan di antara substrat akrilik dan elektroda ground (Gambar 1b). Karena uap air menyebar lambat, RH di dekat substrat mencapai ~70 % sementara lingkungan ujung seringi tetap pada ~50 % (File Tambahan 1: Gambar S2). Peningkatan lokal ini memastikan penyerapan air yang cepat pada permukaan hidrofilik, memfasilitasi kopling elektrostatis [15].

Hasil dan Diskusi

Mode Elektrospinning

Kami memeriksa dua konfigurasi: (1) elektrospinning lapangan jauh (jarak ujung‑pengolek = 8 cm, 13 kV DC) dan (2) elektrospinning lapangan dekat (jarak = 1 cm, 2 kV DC, ujung bergerak pada 100 mm s⁻¹). Dalam mode lapangan jauh, serat hanya terbentuk pada wilayah hidrofilik; bagian hidrofobik tetap bebas dari depoziasi (Gambar 2). Lapisan air terserap pada permukaan hidrofilik menyediakan grounding yang diperlukan, sementara permukaan hidrofobik menghambat pembentukan medan listrik. Eksperimen lapangan dekat menunjukkan bahwa serat dapat ditulis langsung sepanjang trajetur ujung pada wilayah hidrofilik, menghasilkan garis kontinu; serat pada wilayah hidrofobik tampak tidak stabil dan berputar.

Film elektrospinning lapangan jauh pada permukaan dengan basmabilitas berbeda. a dan c menunjukkan citra makroskopis; b dan d menunjukkan mikroskop dari wilayah batas.

Empat polimer—PCL, PS, CA, dan PVDF—diuji untuk mengonfirmasi keberagaman. Dalam setiap kasus, serat hanya di deponi pada wilayah hidrofilik (Gambar 3). Analisis SEM (Gambar 4) mengungkapkan bahwa morfologi serat pada pengolek polimer cocok dengan yang dihasilkan pada elektroda logam konvensional, yang menunjukkan bahwa kontrol kelembaban lokal tidak mengurangi kualitas serat.

Serat elektrospinning dari (a) PCL, (b) PS, (c) CA, dan (d) PVDF pada permukaan hidrofilik versus hidrofobik (skala batas: 10 mm).

Citra SEM yang membandingkan serat PU pada elektroda logam (a, d) tanpa kontrol kelembaban, elektroda logam dengan kontrol kelembaban (b, e), dan substrat polimer hidrofilik dengan kontrol kelembaban (c, f) di bawah 12 kV DC.

Kekuatan medan listrik juga mempengaruhi pola depoziasi. Saat tegangan yang diterapkan meningkat dari 6 kV ke 16 kV (jarak ujung‑pengolek = 8 cm), benturan tidak stabil jet memecut, yang mengarah pada loop yang lebih besar yang menyetir serat pada wilayah hidrofobik (Gambar 5). Pada tegangan yang lebih rendah, serat terutama terkumpul pada permukaan hidrofilik.

Depoziasi serat PU pada permukaan hidrofilik (kanan) dan hidrofobik (kiri) pada tegangan yang diterapkan 6, 8, 10, 12, 14, dan 16 kV (skala batas: 10 mm).

Eksperimen lapangan dekat lebih lanjut memvalidasi metode. Saat pengolek adalah polimer hidrofilik, ujung menghasilkan garis lurus dan kontinu, sedangkan pada pengolek hidrofobik serat tidak stabil dan melengkung (Gambar 6). Ini menunjukkan bahwa pola langsung pada substrat insulasi dapat dicapai tanpa elektroda eksternal.

Film elektrospinning lapangan dekat pada (a) permukaan hidrofobik dan (b) hidrofilik; (c) foto digital serat yang ditulis pada substrat hidrofilik; (d) mikroskop dari yang sama. Garis vertikal menandai batas antara wilayah hidrofilik (kiri) dan hidrofobik (kanan).

Kesimpulan

Kami telah mendirikan pendekatan yang sederhana dan dapat diskalakan untuk elektrospinning pada substrat insulasi dengan ketebalan sembarang dengan memanfaatkan basmabilitas permukaan dan kontrol kelembaban lokal. Plasma oksigen membuat permukaan polimer menjadi hidrofilik, memungkinkan air terserap pada ~70 % RH untuk bertindak sebagai elektroda ground. Serat nanofibre elektrospinning yang menyetir pada pengolek hidrofilik cocok dengan morfologi yang dicapai pada elektroda logam konvensional, dan penulisan lapangan dekat menghasilkan pola serat yang presisi pada wilayah hidrofilik dari permukaan yang otherwise insulasi. Strategi ini menghilangkan kebutuhan akan pembuatan MEMS atau elektroda yang kompleks, memungkinkan integrasi serat nanofibre elektrospinning ke dalam elektronik fleksibel dan dapat dikenakan serta aplikasi muncul lainnya.