Optimasi Elektrospinning Sol-Gel untuk Bundel Nanofiber Poliamida 6/66 Berkinerja Tinggi
Abstrak
Nanofiber polimer memungkinkan berbagai fungsionalitas tekstil. Studi ini menyelidiki larutan poliamida 6/66 (PA 6/66) pada 12, 17, dan 22 wt % untuk menghasilkan nanofiber melalui instalasi electrospinning dasar. Fiber diperiksa dengan mikroskopi elektron pemindai (SEM) dan pengukuran produktivitas. Selanjutnya, bundel nanofiber dibuat menggunakan proses elektrospinning sol-gel dan dikarakterisasi dengan SEM, uji tarik, dan kalorimetri selang diferensial (DSC). Optimasi statistik melalui satu-arah ANOVA dan Tukey HSD menunjukkan bahwa larutan 17 wt % menghasilkan bundel dengan produktivitas tertinggi (1,39 ± 0,15 mg menit⁻¹), rasio tarik (9,0 ± 1,2), dan kekuatan tarik (29,64 ± 7,40 MPa). Analisis DSC menunjukkan penurunan suhu transisi kaca dan leleh untuk nanofiber dibandingkan pellet dan bundel PA 6/66, yang mengindikasikan struktur kristal yang berubah.
Latar Belakang
Nylon, polimer poliamida yang ditemukan oleh Wallace Hume Carothers pada tahun 1934, diproduksi sebagai fiber atau plastik tergantung pada kondisi proses. Varian komersial—nylon 6, nylon 66, nylon 6,10—membagi grup amida –CO–NH– dan digunakan dalam film tiup, monofilamen, dan kopolimer. Poliamida 6/66, dengan titik leleh yang lebih rendah dari nylon 6, banyak digunakan dalam tekstil seperti stoking, payung payung, ritsel, benang ikan, kerudung, karpet, dan tali.
Metode spinning konvensional—basah, kering, dan gel—menciptakan filamen berkisar dari 20 µm hingga 400 µm. Diameter fiber, properti mekanis, dan stabilitas proses sangat bergantung pada konsentrasi polimer. Teknik electrospinning, yang mampu menghasilkan fiber skala nanometer, menawarkan kontrol atas morfologi, porositas, dan diameter melalui konsentrasi larutan dan parameter proses. Seperti yang disebutkan Ramkrisna et al., konsentrasi yang lebih tinggi meningkat viskositas larutan, yang secara langsung mempengaruhi morfologi fiber.
Nanofiber polimer yang dihasilkan melalui electrospinning digunakan dalam rangka, sensor, filter, membran, baterai, pakaian pelindung, peluka luka, dan katalisis. Dalam tekstil, mereka memungkinkan kain self-cleaning, pakaian antimikro, regulasi suhu, dan filtrasi. Karya terbaru telah menyesuaikan electrospinning ke dalam bak koagulasi dan silinder tarik, menciptakan proses sol-gel. Misalnya, bundel polivinil alkohol (PVA) memperkuat pasta semen ultra-fine, dan bundel poliamida 6/66 yang diproduksi oleh roll kolektor berputar menunjukkan janji untuk rangka jaring, komposit, dan sensor ultra-sensitif. Berdasarkan kemajuan ini, studi ini secara statistik mengoptimalkan bundel nanofiber PA 6/66 menggunakan pendekatan sol-gel, menilai morfologi, produktivitas, properti mekanis, dan termal.
Proses elektrospinning sol-gel
Metode
Bahan
PA 6/66 (Ultramid C40 L, BASF) dilarutkan dalam campuran asam formiat dan asam asetat 4:1. Air tisu digunakan sebagai bak koagulasi.
Persiapan Larutan Poliamida
Larutan disiapkan pada 12 %, 17 %, dan 22 wt % dengan berat menggunakan campuran asam pada suhu ruangan dengan pengadukan berkelanjutan.
Proses Elektrospinning Dasar
Semua larutan di-electrospin pada 27,5 kV menggunakan sumber Gamma High Voltage Research Inc. Model E30, dengan jarak jarum-kolektor 12 cm. Laju alir bervariasi antara 0,3 dan 1 mL jam⁻¹ menggunakan pompa seringi Braintree Scientific.
Proses Elektrospinning Sol-Gel
Bundel nanofiber diproduksi dalam bak koagulasi air tisu dengan silinder tarik. Desain unifactorial secara acak lengkap (α = 0,05) mengevaluasi produktivitas, rasio tarik, dan kekuatan tarik pada konsentrasi 12 %, 17 %, dan 22 %, masing-masing dengan tiga replikasi.
Teknik Karakterisasi
Produktivitas (mg menit⁻¹) diukur untuk setiap konsentrasi selama electrospinning dasar, diikuti dengan analisis morfologi SEM.
Untuk proses sol-gel, setelah menstabilkan jet dengan menyesuaikan tegangan, alir, dan jarak jarum-kolektor, rasio tarik ditentukan. Bundel kemudian diperiksa dengan SEM dan uji tarik. Kondisi optimal lebih dianalisis dengan DSC.
SEM
Sampel dilapisi emas (Denton Vacuum Desk IV, ~200 s) dan diimajikan pada mikroskop JEOL JSM 6490 LV di bawah vakum 30 Pa. Perangkat lunak ImageS mengukur diameter rata-rata.
Uji Tarik
Tiga rantai bundel di-uji pada EZ-Test L (Shimadzu) pada 30 mm menit⁻¹ selama 50 mm, mengikuti ASTM D3822.
DSC
Transisi termal diukur dengan TA Instruments Q20 DSC (sampel 5 mg dalam rakuk aluminium yang ditutup). Dua siklus pemanasan dari 25 °C hingga 250 °C pada 10 °C menit⁻¹, dengan isotherma 5 menit, dilakukan. Termogram dianalisis sesuai ASTM D3418-08 untuk menentukan T_g, T_m, ΔH_m, dan kristalinitas (X_c).
Hasil dan Pembahasan
Produktivitas Proses Elektrospinning Dasar
Gambar 2 menunjukkan produktivitas (mg menit⁻¹) untuk setiap konsentrasi. ANOVA (p = 0,015) menunjukkan perbedaan yang signifikan; Tukey HSD menunjukkan konsentrasi 17 % dan 22 % menghasilkan produktivitas yang lebih tinggi daripada 12 %.
Produktivitas proses elektrospinning dasar
Morfologi Nanofiber PA 6/66
Peningkatan konsentrasi polimer meningkatkan viskositas larutan, yang mengarah pada diameter fiber yang lebih besar. Gambar SEM pada Gambar 3 mengonfirmasi bahwa larutan 17 % dan 22 % menghasilkan fiber masing-masing 85 % dan 204 % lebih tebal dari baseline 12 %.
Gambar SEM nanofiber elektrospun PA 6/66 pada 12 % (a), 17 % (b), dan 22 % (c)
Rasio Tarik dalam Proses Sol-Gel
Gambar 4 menunjukkan data rasio tarik. ANOVA (p = 0,000) dan Tukey HSD menunjukkan konsentrasi 17 % mencapai rasio tarik yang lebih tinggi daripada 12 % dan 22 %, yang secara statistik serupa.
Rasio tarik proses elektrospinning sol-gel
Morfologi Bundel Nanofiber
Gambar SEM pada Gambar 5 menunjukkan bahwa bundel dari larutan 17 % memiliki diameter rata-rata terkecil, setengah dari bundel 12 % dan 22 %, karena kecepatan koleksi yang lebih tinggi dan rasio tarik.
Gambar SEM bundel nanofiber PA 6/66 pada 12 % (a), 17 % (b), dan 22 % (c)
Kekuatan Tarik Bundel
Gambar 6 menunjukkan distribusi kekuatan tarik. ANOVA (p = 0,005) dan Tukey HSD mengonfirmasi bahwa bundel 17 % menunjukkan kekuatan tarik yang signifikan lebih tinggi (29,64 ± 7,40 MPa) daripada bundel 12 % dan 22 %, yang serupa.
Kekuatan tarik bundel nanofiber PA 6/66 pada konsentrasi yang berbeda
Nilai-nilai ini sejalan dengan Wu et al., yang melaporkan kekuatan tarik sekitar 30 MPa untuk bundel PA 6/66 yang dihasilkan melalui electrospinning dan lengkungan.
Kondisi Proses Optimal
Secara kolektif, data menunjukkan bahwa larutan PA 6/66 sebesar 17 wt % menghasilkan bundel dengan produktivitas, rasio tarik, dan kekuatan tarik yang superior. Gambar 7 menyoroti ketasaran permukaan yang meningkat pada bundel ini, yang menguntungkan untuk penguatan komposit dengan meningkatkan interkoneksi mekanis. Rasio luas permukaan-volume yang tinggi dan rasio aspek lebih lanjut menunjukkan kesesuaian untuk aplikasi pakaian, filtasi, dan nanokomposit.
Gambar SEM permukaan bundel nanofiber PA 6/66
Analisis Termal DSC Kondisi Optimal
Termogram DSC (Gambar 8) untuk tahap pellet, nanofiber, dan bundel PA 6/66 dibandingkan. Nilai T_g, T_m, ΔH_m, dan X_c yang dihitung (Tabel 1) menunjukkan bahwa nanofiber 17 % menunjukkan T_g dan T_m yang lebih rendah daripada pellet, yang mencerminkan volume bebas yang meningkat dan urutan kristal yang berkurang. Bundel menunjukkan kristalinitas 44,71 %, lebih tinggi daripada nanofiber, yang mengindikasikan bahwa tarik menyelaraskan rantai dan memulihkan kristalinitas. Nilai entalpi leleh mengonfirmasi kebutuhan energi yang lebih rendah untuk melelehkan fase nanofiber.
Termogram bundel nanofiber kondisi optimal yang dihasilkan melalui DSC
Kesimpulan
Elektrospinning sol-gel PA 6/66 pada larutan 17 wt % memberikan proses yang dioptimalkan secara statistik, mencapai produktivitas tinggi (1,39 ± 0,15 mg menit⁻¹), rasio tarik 9,0 ± 1,2, dan kekuatan tarik 29,64 ± 7,40 MPa. Metode ini secara konsisten menghasilkan bundel nanofiber yang seragam yang cocok untuk aplikasi tekstil dan komposit lanjutan.
