Pengendalian Morfologi Permukaan Sekunder Nanofibers PVDF Electrospun melalui Pemilihan Lembar dan Kelembaban Relatif

Abstrak

Kami menyajikan protokol yang sederhana dan dapat direproduksi untuk memproduksi nanofibers polyvinylidenida florida (PVDF) dengan morfologi sekunder yang disesuaikan—makro-porous, kasar, bergerombol, dan secara internal porous—menggunakan sistem lembar tunggal atau biner dan kelemb relatif yang dikontrol. Studi sistematis mengungkapkan bahwa uap air, bertindak sebagai non-lembar, sangat penting untuk memicu pemisahan fasa saat kelemb relative berada dalam jendela tertentu. Laju penguapan lembar (aseton, DMF, atau campuran) dan difusi antar air menentukan munculnya pori permukaan, rongga interior, dan fitur tekstural. Pengukuran adsorpsi nitrogen menunjukkan bahwa fiber makro-porous (>300 nm) mencapai luas permukaan spesifik 23,31 ± 4,30 m² g⁻¹ dan volume pori 0,0695 ± 0,007 cm³ g⁻¹, yang diterjemahkan menjadi kapasitas penyerapan minyak yang luar biasa sebesar 50,58 ± 5,47 g g⁻¹ (minyak silicone), 37,74 ± 4,33 g g⁻¹ (minyak motor), dan 23,96 ± 2,68 g g⁻¹ (minyak zaitun). Temuan ini memberikan peta jalan praktis untuk merangka nanofibers PVDF elektrospin dengan arsitektur permukaan yang disesuaikan untuk aplikasi pemfilteran, sensing, dan penambahan energi yang canggih.

Latar Belakang

Electrospinning memanfaatkan gaya elektrostatis untuk meregangkan larutan polimer menjadi fiber dengan diameter yang berkisar dari nanometer hingga mikrometer. Dengan menyesuaikan parameter proses, perpustakaan morpologi yang kaya—berbincah, porous, bergerombol, berlubang, inti-selubung, dan lainnya—telah direalisikan. Nanofibers elektrospin unggul dalam luas permukaan tinggi, fleksibilitas, dan keragaman struktural, membuatnya ideal untuk penambahan energi, sensor, pemfilteran, peralatan biomedis, dan permukaan pembersih diri.

Fitur permukaan sekunder—porous, kasar, atau bergerombol—dapat secara dramatis meningkatkan performa fungsional. Fiber porous meningkatkan efisiensi katalitik dan pemfilteran; permukaan kasar meningkatkan keluaran triboelektrik; arsitektur bergerombol mendukung teknik jaringan dan keuperan super. Namun, pengendalian sistematis fitur ini, terutama dalam PVDF, masih kurang dieksplorasi.

Metode

Bahan

PVDF (Mn = 275 kDa) dari Sigma-Aldrich; aseton (ACE) dan N,N-dimetilformamida (DMF) dari Shanghai Chemical Reagents Co., Ltd. Semua reagensi digunakan seperti diterima.

Pengaturan Electrospinning

Larutan 18 % ACE/PVDF, 35 % DMF/PVDF, dan 25 % ACE/DMF PVDF (rasio 4:1 hingga 1:4) disiapkan. Jarum 21 G menyuplai pompa jering (1,5 mL h⁻¹) di bawah 18 kV. Fiber dikumpulkan pada drum 40 cm × 20 cm pada 2 rpm, 18 cm dari jarum. Eksperimen dilakukan pada 20 °C dengan kelemb relative diatur ke 5 %, 25 %, 45 %, atau 65 % menggunakan penguap/pengering udara.

Diagram Fasa Ternari

Titik kabur diperoleh dengan menitrasi larutan PVDF dengan air deionis pada 65 % RH. Kurva binodal planograph untuk mengidentifikasi coexistensi lembar-air-polim.

Karakterisasi

Morfologi fiber dan potongan lintang diperiksa dengan FE-SEM (Hitachi S-4800) setelah pelapisan emas. Diameter diukur melalui analisis citra. Isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen (JW-BK132F) menyediakan data luas permukaan, ukuran pori, dan volume. Penyerapan minyak dievaluasi dengan merendam 0,3 g fiber kering dalam campuran air-minyak 1:1 selama 1 jam, mengeringkan selama 40 menit, dan menghitung kapasitas dengan Q = (m₀ – m₁)/m₁.

Hasil dan Pembahasan

Fiber Berbasis ACE

Pada 5 % RH, fiber mulus dengan interior padat terbentuk—tidak ada pemisahan fasa. Peningkatan RH ke 25–65 % menginduksi makro-porositas pada permukaan. Potongan lintang mengungkapkan interior padat pada 25 % RH (TIPS) dan pori interior pada 45–65 % RH (ko-kejadian TIPS dan VIPS). Ukuran pori makro tumbuh dari ~50 nm (25 % RH) menjadi ~400 nm (65 % RH). Diameter fiber meningkat dari 0,77 µm menjadi 1,81 µm dengan kenaikan RH.

Fiber Berbasis DMF

5 % RH menghasilkan fiber mulus; 25–65 % RH menghasilkan permukaan kasar dan pori interior melalui VIPS. Tekanan uap air yang lebih tinggi relatif terhadap DMF mempromosikan pemisahan fasa yang diinduksi air, membentuk selubung PVDF yang menangkap DMF dan menghasilkan pori. Diameter meningkat dari 0,8 µm menjadi 1,79 µm di seluruh rentang RH.

Fiber Campuran ACE/DMF

Menggunakan 25 % PVDF dengan rasio ACE/DMF yang bervariasi, spektrum morpologi muncul: mulus (5 % RH), gerombol-gerongga dangkal (25 % RH), gerombol-gerongga longitudinal (45–65 % RH). Pada 25–65 % RH, semua fiber menampilkan pori interior; tekstur bergerombol berasal dari perluasan berbasis kerutan setelah pembentukan kulit kaca awal. Peningkatan RH memperlebar lebar dan kedalaman gerongga. Diameter fiber bervariasi dengan rasio lembar: rasio 1:1 menghasilkan fiber yang paling tipis (~0,6 µm) pada 5 % RH, melebar menjadi ~2 µm pada 65 % RH.

Perilaku Fasa

Diagram fasa ternari pada 65 % RH menunjukkan dua zona yang dipisahkan oleh kurva binodal. Jet memulai di zona homogen (I); seiring ACE menguap dengan cepat, komposisi beralih ke zona II di mana pemisahan multi-fase terjadi (TIPS dan VIPS). Trajektori bergantung pada volatilitas lembar.

Luas Permukaan, Porositas, dan Penyerapan Minyak

Fiber makro-porous mencapai luas permukaan spesifik tertinggi (23,31 ± 4,30 m² g⁻¹) dan volume pori (0,0695 ± 0,007 cm³ g⁻¹). Fiber bergerombol dan kasar menampilkan nilai yang lebih rendah (10,26 ± 2,19 m² g⁻¹, 4,81 ± 0,58 m² g⁻¹). Mesopori (2–50 nm) umum; makropori (>100 nm) eksklusif untuk fiber makro-porous, menjelaskan penyerapan minyak yang superior. Ujian penyerapan minyak mengonfirmasi fiber makro-porous menyerap 50,58 ± 5,47 g g⁻¹ minyak silicone, 37,74 ± 4,33 g g⁻¹ minyak motor, dan 23,96 ± 2,68 g g⁻¹ minyak zaitun—lebih dari dua kali kapasitas fiber bergerombol atau kasar.

Kesimpulan

Kami telah menetapkan strategi yang dapat diandalkan dan dapat disesuaikan untuk menghasilkan nanofibers PVDF makro-porous, kasar, dan bergerombol dengan porositas internal dengan menyesuaikan komposisi lembar dan kelemb ambien. Wawasan utama: tidak ada pemisahan fasa pada 5 % RH menghasilkan fiber mulus; TIPS mendominasi pada 25 % RH (ACE); VIPS mengatur fiber kasar (DMF) dan tekstur bergerombol (ACE/DMF). Kontrol struktural ini secara langsung diterjemahkan menjadi performa penyerapan luas permukaan dan minyak yang ditingkatkan, menawarkan panduan praktis untuk merancang material elektrospin berfungsi tinggi.