Mengontrol Morfologi Permukaan Sekunder Nanofiber PVDF Electrospun dengan Mengatur Pelarut dan Kelembaban Relatif
Abstrak
Karya ini menyajikan metode sederhana dan andal untuk secara langsung menghasilkan serat nano polivinilidena fluorida (PVDF) dengan morfologi permukaan sekunder (misalnya, permukaan berpori, permukaan kasar, permukaan beralur, dan porositas interior) dengan menggunakan sistem pelarut tunggal/biner dan kelembaban relatif. Kami mengklarifikasi mekanisme yang bertanggung jawab untuk pembentukan morfologi ini dengan secara sistematis menjelajahi interaksi molekuler antara polimer, pelarut, dan uap air. Hasil kami membuktikan bahwa pembentukan morfologi permukaan sekunder membutuhkan keberadaan uap air, non-pelarut polimer, pada tingkat kelembaban relatif yang sesuai. Pembentukan morfologi permukaan sekunder tergantung pada kecepatan penguapan pelarut (ACE, DMF, dan campurannya), serta inter-difusi dan penetrasi non-pelarut (air) dan pelarut. ). Hasil N2 isoterm adsorpsi-desorpsi fisik menunjukkan bahwa serat berpori makro (> 300 nm) menunjukkan luas permukaan spesifik tertinggi 23,31 ± 4,30 m
2
/g dan volume pori 0,0695 ± 0,007 cm
3
/g, memungkinkan kapasitas penyerapan oli tinggi masing-masing 50,58 ± 5,47 g/g, 37,74 ± 4,33 g/g, dan 23,96 ± 2,68 g/g untuk oli silikon, oli motor, dan oli zaitun. Kami yakin pekerjaan ini dapat menjadi pedoman untuk pembentukan struktur berbeda dari serat nano berpori makro, kasar, dan beralur dengan porositas interior melalui electrospinning.
Latar Belakang
Electrospinning adalah metode pembentukan serat yang melibatkan gaya elektrostatik untuk mengeluarkan dan meregangkan jet polimer menjadi serat. Proses tersebut saat ini menghasilkan serat dengan diameter mulai dari beberapa nanometer hingga beberapa mikrometer [1]. Berbagai morfologi serat electrospun termasuk serat manik-manik [2], serat berpori [3], serat beralur [4], serat multichannel [5], serat pita [6], serat berdampingan [7], serat berongga [8] ], serat hierarkis [9], nanokomposit berbentuk butiran beras [10], serat sayap kupu-kupu [11], serat selubung inti [12], dan serat berkerut [13] dapat dibentuk dengan mengontrol parameter electrospinning [14].
Nanofiber electrospun telah menunjukkan sifat yang sangat baik seperti luas permukaan spesifik yang tinggi, fleksibilitas, kemudahan fungsionalitas, berbagai morfologi dan struktur, kekuatan arah yang unggul, dan porositas tinggi yang menjadikannya bentuk material yang disukai untuk aplikasi yang berbeda seperti pemanenan energi [15], sensor [16], filtrasi [17,18,19], aplikasi biomedis [20], membersihkan permukaan sendiri [21,22,23], dll. Studi telah menunjukkan bahwa dengan mengatur morfologi sekunder (misalnya, permukaan berpori, beralur permukaan, permukaan kasar, dan porositas interior) dari serat electrospun, sifat dan perilakunya dapat sangat ditingkatkan atau diubah. Misalnya, serat berpori telah menunjukkan penggunaan yang luas dalam berbagai aplikasi seperti katalisis, filtrasi, dan penelitian biomedis karena peningkatan luas permukaan spesifik mereka melalui pengenalan pori-pori intrafiber [24]. Serat kasar telah digunakan untuk meningkatkan keluaran listrik dari perangkat energi pemulung karena meningkatnya area gesekan [25]. Serat beralur memiliki potensi besar di bidang rekayasa jaringan dan permukaan superhidrofobik [26]. Selain itu, meningkatkan luas permukaan spesifik dan porositas mengarah pada peningkatan kinerja penyerapan [27, 28], katalisis [29, 30], dll.
Sebelumnya, kami telah melaporkan produksi serat polistiren dengan struktur dan distribusi pori makro yang dapat disetel dengan menggunakan nozzle mikofluida yang berisi tiga saluran yang memungkinkan pencampuran cairan dari dua saluran input dan sinkronisasi elektrospinning dari campuran yang dihasilkan dari saluran keluaran lainnya [3] . Selanjutnya, kami telah melaporkan pembuatan serat selulosa asetat butirat dan polistirena dengan struktur beralur melalui electrospinning menggunakan sistem pelarut campuran yang terdiri dari pelarut titik didih tinggi dan pelarut titik didih rendah [4, 31].
Dalam penelitian ini, kami mendemonstrasikan pembuatan serat nano polivinilidena fluorida (PVDF) dengan struktur permukaan berpori makro, kasar, dan beralur serta pori-pori interior menggunakan electrospinning tanpa melibatkan metode pengumpulan khusus atau perawatan pasca-pemintalan. Di sini, PVDF dipilih sebagai model karena dapat larut dalam pelarut yang berbeda.
Sejauh pengetahuan kami, sejauh ini, tidak ada penelitian yang diselidiki secara sistematis tentang manuver pembentukan serat nano PVDF berpori makro (> 300 nm), kasar, dan beralur dengan porositas internal dengan mengontrol kelembaban relatif. Di sini, kami melaporkan elektrospinning larutan PVDF pada empat tingkat kelembaban relatif (5%, 25%, 45%, dan 65%) menggunakan sistem pelarut tunggal dan biner. Tujuan utama dari pekerjaan ini adalah untuk menyelidiki kelayakan fabrikasi serat berpori makro, kasar, dan beralur dengan struktur interior padat dan berpori menggunakan tingkat kelembaban relatif yang berbeda, dan untuk menemukan mekanisme pembentukannya. Dengan menyelidiki secara sistematis pengaruh kelembaban relatif pada morfologi permukaan sekunder serat PVDF electrospun, kami menyimpulkan bahwa kelembaban relatif memainkan peran penting dalam menentukan permukaan dan morfologi internal serat PVDF. Studi ini dapat memberikan panduan yang berguna untuk persiapan struktur permukaan sekunder nanofibers melalui electrospinning.
Metode
Bahan Kimia dan Bahan
Pelet PVDF (Mw = 275.000) dibeli dari Sigma-Aldrich, Inc. Acetone (ACE) dan N,N-dimethylformamide (DMF) dibeli dari Shanghai Chemical Reagents Co., Ltd., Shanghai, Cina. Semua bahan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Electrospinning Serat PVDF dengan Morfologi Permukaan Sekunder
Untuk mendapatkan serat berpori makro, kasar, dan beralur, 18% ACE (w /v ) Solusi PVDF, 35% DMF (dengan /v ) solusi PVDF, dan 25% (ACE/DMF) (dengan /v ) Larutan PVDF dengan perbandingan pelarut (4:1, 2:1, 1:1, 1:2, dan 1:4) masing-masing disiapkan, dan masing-masing larutan dimasukkan ke dalam spuit plastik. Dalam karya ini, rasio pelarut adalah rasio volume, dan konsentrasi larutan adalah berat/volume (w /v ) (g/ml). Sebuah jarum suntik 21 gauge digunakan sebagai pemintal, yang dipasang pada pompa jarum suntik (KDS 100, KD Scientific Inc., USA) yang terhubung ke pemasok tegangan tinggi (Tianjin Dongwen Co., Ltd., Cina). Kolektor drum yang diarde (panjang 40 cm dan diameter 20 cm) ditempatkan 18 cm dari pemintal, dan kecepatan putar disetel pada 2 rpm untuk mendapatkan serat yang diorientasikan secara acak. Semua percobaan dilakukan pada 20 °C di bawah tingkat kelembaban relatif yang berbeda (5%, 25%, 45%, dan 65%). Suhu diatur oleh sistem AC sentral laboratorium dan kelembaban relatif dikendalikan oleh kelembaban lingkungan, yang selanjutnya dapat diatur dengan jendela sempit (± 2%) dengan menggunakan pelembab udara/dehumidifier. Semua sampel disiapkan pada laju pengumpanan dan tegangan yang diterapkan masing-masing 1,5 ml/jam dan 18 kV. Semua parameter sebelumnya disesuaikan untuk mendapatkan serat dengan morfologi yang berbeda dan diameter yang sama.
Diagram Fase Terner
Kurva titik awan ditentukan dengan metode titrasi pada kelembaban relatif 65%. Larutan PVDF dibuat dengan melarutkan polimer dalam sistem pelarut tunggal menggunakan ACE dan DMF, dan sistem pelarut biner menggunakan ACE/DMF pada rasio pelarut 1:1. Larutan homogen yang diperoleh dititrasi dengan air deionisasi sebagai non-pelarut. Pada awal kekeruhan permanen, komposisi larutan dan jumlah non-pelarut yang digunakan dicatat dan diplot dalam diagram fase terner, yang digunakan untuk mewakili kurva binodal [32, 33].
Karakterisasi
Morfologi permukaan dan penampang nanofiber PVDF electrospun diperiksa di bawah mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FE-SEM) (S-4800, Hitachi Ltd., Tokyo, Jepang) setelah pelapisan emas. Penampang serat disiapkan dengan menempatkannya dalam nitrogen cair dan memecahnya secara manual. Diameter serat diukur menggunakan perangkat lunak analisis citra (Adobe Acrobat X Pro 10.1.2.45) menurut citra SEM. N2 isoterm adsorpsi-desorpsi fisik (JW-BK132F, Beijing Science and Technology Co., China) diukur untuk menentukan luas permukaan spesifik, distribusi pori, dan volume pori total.
Penyerapan Minyak
Kapasitas penyerapan minyak diukur pada 25 °C menggunakan metode berikut. Kemudian, disiapkan 15 mL campuran air-minyak dengan perbandingan 1:1 dan dimasukkan ke dalam gelas kimia. Selanjutnya, 0,3 g sorben ditambahkan ke dalam gelas kimia untuk menyerap minyak selama 1 jam, kemudian sorben basah dipindahkan ke saringan dan dikeringkan selama ~ 40 menit untuk memastikan tidak ada tetesan minyak yang tertinggal pada sorben. Kapasitas penyerapan minyak dihitung menurut persamaan berikut:
dimana Q adalah kapasitas penyerapan minyak (g/g), m0 adalah massa total sorben basah setelah penyerapan minyak dikeringkan selama ~ 40 mnt (g), dan m1 adalah massa sorben sebelum penyerapan (g).
Hasil dan Diskusi
Untuk mengeksplorasi pengaruh kelembaban relatif pada morfologi sekunder serat PVDF electrospun, 18% (w /v ) Solusi PVDF dengan ACE, 35% (w /v ) Solusi PVDF dengan DMF, dan 25% (dengan /v ) Solusi PVDF dengan rasio ACE/DMF yang berbeda dilakukan dengan electrospun.
Serat Electrospun dari ACE
Serat yang diperoleh dari larutan PVDF/ACE pada berbagai tingkat kelembaban relatif telah dipamerkan dan dibandingkan (Gbr. 1 dan 2). Serat halus dibentuk menggunakan larutan PVDF/ACE pada kelembaban relatif 5% (Gbr. 1a dan File tambahan 1:Gambar S1A), sedangkan serat berpori makro diproduksi pada kelembaban relatif 25%, 45%, dan 65% (Gbr. 1b–d dan File tambahan 1:Gambar S1B-D). Pembentukan pori-pori permukaan harus dianggap berasal dari pemisahan fase yang diinduksi termal (TIPS) [24].
Gambar SEM representatif dari sampel yang dibuat dengan electrospinning 18% (w /v ) Larutan PVDF dari ACE pada berbagai tingkat kelembaban relatif. a 5%, b 25%, c 45%, dan d 65%
Gambar SEM penampang sampel yang dibuat dengan elektrospinning 15% (w /v ) Larutan PVDF dari ACE pada berbagai tingkat kelembaban relatif. a 5%, b 25%, c 45%, dan d 65%
Untuk mengkonfirmasi mekanisme pembentukan serat berpori makro PVDF yang terbentuk dari larutan PVDF/ACE, kami memeriksa penampang serat yang terbentuk pada berbagai tingkat kelembaban relatif yang dipelajari. Kami menemukan bahwa pada kelembaban relatif 5% dan 25%, serat yang terbentuk memiliki interior yang solid (Gbr. 2a, b), sedangkan serat dengan pori-pori interior terbentuk pada kelembaban relatif 45% dan 65% (Gbr. 2c, D). Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa serat terbentuk dengan permukaan halus dan interior padat pada kelembaban relatif 5% karena tidak ada pemisahan fasa. Sedangkan serat berpori makro dengan interior padat terbentuk karena TIPS. Sedangkan serat berpori makro dengan pori-pori interior terbentuk pada kelembaban relatif 45% dan 65% karena koeksistensi TIPS dan pemisahan fase yang diinduksi uap (VIPS). Dengan kata lain, ketika pelarut yang mudah menguap tinggi menguap, mereka menyerap sejumlah besar panas dan dengan demikian mendinginkan permukaan serat, yang menyebabkan mereka mengembun dan menarik tetesan air pada permukaan serat. Ketika kelembaban relatif meningkat, laju penguapan tetesan air menurun, menyebabkan koalesensi antara tetesan membentuk tetesan makro yang mekanismenya dikenal sebagai pertumbuhan nukleasi (NG) [34]. Setelah tetesan air makro yang terkondensasi mengering, mereka membentuk pori-pori makro di permukaan serat. Sedangkan bagian butiran air yang menembus serat akhirnya mengering membentuk pori-pori interior. Mekanisme pembentukan serat berpori makro pada kelembaban relatif tinggi ditunjukkan pada Gambar. 3a. Pada kelembaban relatif tinggi, laju penguapan tetesan air yang terkondensasi pada permukaan serat menurun, memberikan tetesan ini lebih banyak waktu untuk bergabung bersama karena NG. Oleh karena itu, ukuran pori makro pada permukaan serat meningkat dari ~ 50 nm pada kelembaban relatif 25%, menjadi ~ 100 nm pada kelembaban relatif 45%, dan menjadi ~ 400 nm pada kelembaban relatif 65% . Semua permukaan dan morfologi internal yang diperoleh dari larutan PVDF/ACE pada tingkat kelembaban relatif yang berbeda dirangkum dalam Tabel 1. Yang terpenting, peningkatan kelembaban relatif dari 5 hingga 65% menyebabkan peningkatan diameter serat dari ~ 0,77 menjadi ~ 1,81 μm (Tambahan file 1:Gambar S2A).
Diagram proses dari jet solusi selama electrospinning pada kelembaban relatif tinggi. Langkah 1:penguapan pelarut dan kondensasi air, langkah 2:penetrasi tetesan air dan pembentukan pori-pori, dan langkah 3:pemanjangan dan pemadatan serat. a Serat berpori makro, b serat kasar, dan c serat beralur
Serat Electrospun dari DMF
Di sini, 35% (w /v ) Larutan PVDF dipintal dengan listrik pada tingkat kelembaban relatif yang berbeda (5%, 25%, 45%, dan 65%).
Serat halus diproduksi menggunakan larutan PVDF/DMF pada kelembaban relatif 5% (Gbr. 4a dan File tambahan 1:Gambar S3A), sedangkan serat kasar terbentuk pada kelembaban relatif 25%, 45%, dan 65% (Gbr. . 4b–d dan File tambahan 1:Gambar S3B-D) karena ketidakstabilan tekuk [35] dan regangan oleh gaya listrik [26]. Menurut penampang serat yang terbentuk pada kelembaban relatif yang dipelajari sebelumnya, kami menemukan bahwa serat dengan interior padat diperoleh hanya pada kelembaban relatif 5% (Gbr. 5a), sedangkan serat dengan pori-pori interior terbentuk pada kelembaban relatif 25%, 45%, dan 65% (Gbr. 5b–d). Dalam hal ini, kita dapat mengatakan bahwa serat terbentuk dengan permukaan halus dan interior padat karena tidak ada pemisahan fasa, sedangkan serat diperoleh dengan permukaan kasar dan pori-pori interior karena VIPS [24]. Dengan kata lain, difusi dan penetrasi perusahaan DMF dan uap air memainkan peran penting dalam membentuk serat dengan pori-pori interior; karena fakta bahwa tekanan uap air (2,34 kPa) lebih tinggi daripada DMF (0,36 kPa) pada suhu 20 °C, masuk akal untuk mengasumsikan bahwa uap air jenuh di dekat daerah antarmuka antara udara dan jet pertama, kemudian diikuti oleh tindakannya sebagai non-pelarut untuk mengendapkan selubung PVDF pada permukaan jet cair. Lapisan PVDF yang dipadatkan membantu menjerat DMF di dalam dan memperlambat laju penguapannya, yang mungkin mencegah uap air mengembun dengan cepat atau terakumulasi di permukaan untuk membentuk tetesan besar. Uap air menembus selubung dan terus-menerus memasuki fase PVDF-DMF, menghasilkan pemisahan fase yang cepat. Gambar 3d menjelaskan mekanisme pembentukan serat kasar pada kelembaban relatif tinggi. Semua permukaan dan morfologi internal yang diperoleh dari larutan PVDF/DMF pada tingkat kelembaban relatif yang berbeda dirangkum dalam Tabel 1. Menariknya, peningkatan kelembaban relatif dari 5 hingga 65% menyebabkan peningkatan diameter serat dari ~ 0,8 menjadi ~ 1,79 μm (File tambahan 1:Gambar S2B).
Gambar SEM representatif dari sampel yang dibuat dengan electrospinning 35% (w /v ) Solusi PVDF dari DMF pada berbagai tingkat kelembaban relatif. a 5%, b 25%, c 45%, dan d 65%
Gambar SEM penampang sampel yang dibuat dengan electrospinning 35% (w /v ) Solusi PVDF dari DMF pada berbagai tingkat kelembaban relatif. a 5%, b 25%, c 45%, dan d 65%
Serat Electrospun dari Larutan Campuran ACE/DMF
Dalam hal ini, 25% (w /v ) Larutan PVDF dengan rasio ACE/DMF yang berbeda (4:1, 2:1, 1:1, 1:2, dan 1:4) di-electrospun pada tingkat kelembapan relatif yang berbeda. Untuk 25% (w /v ) (ACE/DMF pada rasio pelarut 4:1), serat halus terbentuk pada kelembaban relatif 5% (Gbr. 6a dan File tambahan 1:Gambar S4A), serat beralur memanjang dangkal pilar diproduksi pada kelembaban relatif dari 25% (Gbr. 6b dan File tambahan 1:Gambar S4B), dan serat beralur longitudinal pilar diproduksi pada kelembaban relatif 45% dan 65% (Gbr. 6c, d dan File tambahan 1:Gambar S4C, D). Untuk 25% (w /v ) (ACE/DMF pada rasio pelarut 2:1), serat halus terbentuk pada kelembaban relatif 5% (Gbr. 6e dan File tambahan 1:Gambar S4E), serat kasar dibuat pada kelembaban relatif 25% (Gbr. 6f dan File tambahan 1:Gambar S4F), serat beralur pilar memanjang dangkal diperoleh pada kelembaban relatif 45% (Gbr. 6g dan File tambahan 1:Gambar S4G), dan serat beralur memanjang pilar diproduksi pada relatif kelembaban 65% (Gbr. 6h dan File tambahan 1:Gambar S4H). Untuk 25% (w /v ) (ACE/DMF pada rasio pelarut 1:1) pada kelembaban relatif 5%, serat halus diamati (Gbr. 6i dan File tambahan 1:Gambar S4I), serat kasar diproduksi pada kelembaban relatif 25% dan 45% (Gbr. 6j, k dan File tambahan 1:Gambar S4J, K), dan serat beralur kecil pilar diproduksi pada kelembaban relatif 65% (Gbr. 6l dan File tambahan 1:Gambar S4L). Untuk 25% (w /v ) (ACE/DMF pada rasio pelarut 1:2 dan 1:4), ketika kelembaban relatif 25%, serat halus terlihat (Gbr. 6m, n, q, r dan File tambahan 1:Gambar S4M, N , Q, R), sedangkan serat kasar diproduksi pada kelembaban relatif 45% dan 65% (Gbr. 6o, p, s, t dan File tambahan 1:Gambar S4O, P, S, T).
Gambar SEM representatif dari sampel yang dibuat dengan electrospinning 25% (w /v ) Solusi PVDF dari ACE/DMF pada berbagai tingkat kelembaban relatif (5%, 25%, 45%, dan 65%) dan rasio pelarut. a –d 4:1, e –h 2:1, i –l 1:1, m –p 1:2, dan q –t 1:4
Untuk lebih akurat tentang mekanisme pembentukan serat beralur PVDF yang terbentuk dari ACE/DMF, kami memeriksa penampang serat yang terbentuk pada semua rasio pelarut dan tingkat kelembaban relatif yang berbeda yang dipelajari. Kami memperhatikan bahwa pada kelembaban relatif 5%, semua serat yang terbentuk memiliki interior yang solid. Di sini, kami menyimpulkan bahwa tidak ada pemisahan fase yang terjadi pada pembentukan serat dengan permukaan halus dan interior padat (Gbr. 7a, e, i, m, q). Pada kelembaban relatif 25%, 45%, dan 65%, semua serat yang dihasilkan memiliki pori-pori interior. Serat beralur dengan pori-pori interior dibuat dengan mekanisme pemanjangan berbasis kerutan [36]. Dalam hal ini, karena penguapan cepat dari ACE yang sangat mudah menguap (tekanan uap, 24 kPa) dan pemisahan fase, kulit kaca terbentuk pada tahap awal electrospinning, kemudian permukaan jet yang keriput terbentuk karena pembentukan dari pori-pori interior, dan memanjang menjadi serat beralur sesudahnya (Gbr. 7b–d, g, h, l). Gambar 3c menjelaskan mekanisme pembentukan serat beralur pada kelembaban relatif tinggi. Pembentukan nanopilar pada permukaan serat beralur mungkin disebabkan oleh fakta bahwa ACE terperangkap dalam serat oleh kulit kaca, yang menghadapi penguapan ACE yang cepat, tetapi beberapa titik lemah mungkin masih ada, menghasilkan pembentukan nanopilar.
Gambar SEM penampang sampel yang dibuat dengan electrospinning 25% (w /v ) Solusi PVDF dari ACE/DMF pada berbagai tingkat kelembaban relatif (5%, 25%, 45%, dan 65%) dan rasio pelarut. a –d 4:1, e –h 2:1, i –l 1:1, m –p 1:2, dan q –t 1:4
Serat dengan permukaan kasar dan pori-pori interior terbentuk karena VIPS (Gbr. 7f, j, k, o, p, s, t). Serat dengan permukaan halus dan pori-pori interior juga terbentuk karena VIPS (Gbr. 7n, r) [24, 37]. Perlu disebutkan bahwa lebar dan kedalaman alur meningkat dengan meningkatkan kelembaban relatif. Semua permukaan dan morfologi internal yang diperoleh dari larutan campuran ACE/DMF pada berbagai tingkat kelembaban relatif dapat dilihat pada Tabel 1. Kami melihat bahwa peningkatan kelembaban relatif dari 5 hingga 65% menyebabkan peningkatan diameter serat dari ~ 1 menjadi ~ 3,75 μm , ~ 0,85 hingga ~ 2,9 μm, ~ 0,6 hingga ~ 2 μm, ~ 0,35 hingga ~ 1 μm, dan ~ 0,26 hingga ~ 0,7 μm untuk rasio pelarut berikut 4:1, 2:1, 1:1, 1:2 , dan 1:4, masing-masing (File tambahan 1:Gambar S2C-G).
Karena pentingnya kelembaban relatif yang tinggi dalam membentuk struktur permukaan sekunder dari serat PVDF, kami menggambarkan perilaku fase larutan electrospinning dengan membuat diagram fase pada kelembaban relatif 65% (Gbr. 8). Diagram ini dibagi menjadi dua zona oleh kurva binodal. Semburan larutan tidak berawan dan homogen saat diekstrusi dari pemintal (zona I). Dengan laju penguapan ACE yang tinggi, laju penguapan DMF yang rendah, dan perembesan air berikutnya ke dalam pancaran larutan, proporsi komponen (PVDF, pelarut, dan air) dalam pancaran diubah secara dinamis untuk mengikuti jalur ditunjukkan oleh panah. Jet solusi mulai memasuki zona II, setelah melintasi kurva bimodal, di mana ia berubah menjadi keruh dan terpisah menjadi multifase karena ketidakstabilan termodinamika [37, 38]. Pelarut volatil yang lebih tinggi (ACE) diwakili oleh panah yang lebih curam, yang sesuai dengan pemisahan fase yang lebih cepat.
Diagram fase PVDF, pelarut (s), dan air pada kelembaban relatif 65%. Titik merah mengacu pada solusi awal
Untuk menghitung luas permukaan dan struktur pori serat, isoterm adsorpsi nitrogen dari serat berpori makro (Gbr. 1d), serat kasar (Gbr. 4d), dan serat beralur (Gbr. 6l) yang memiliki diameter yang sama adalah dipilih untuk perbandingan. Luas permukaan spesifik serat berpori makro, beralur, dan kasar adalah 23,31 ± 4,30 m
2
/g, 10,26 ± 2,19 m
2
/g, dan 4,81 ± 0,58 m
2
/g, dan volume pori adalah 0,0695 ± 0,007 cm
3
/g, 0,0182 ± 0,003 cm
3
/g, dan 0,0135 ± 0,002 cm
3
/g, masing-masing (Gbr. 9a). Hasil ini dikoordinasikan dengan adsorpsi nitrogen maksimal dari serat berpori makro, beralur, dan kasar yaitu 20,06 cm
3
/g, 12,29 cm
3
/g, dan 7,49 cm
3
/g, masing-masing (Gbr. 9b). Kami selanjutnya mengkonfirmasi bahwa mesopori (2–50 nm) ada di serat berpori makro, beralur, dan kasar (Gbr. 9c), sedangkan pori makro (> 100 nm) hanya muncul di serat berpori makro, menghasilkan luas permukaan spesifik dan volume pori yang tinggi (Gbr. 9d).
Karakterisasi serat berpori makro, beralur, dan kasar. a Luas permukaan spesifik dan volume pori. b Isoterm adsorpsi nitrogen. c dV/dD—kurva diameter pori. d dV/dlogD—kurva diameter pori. e Gambar penyerapan minyak. (I) 15 mL campuran air-minyak (1:1) tanpa sorben, (II) selama penyerapan, (III) selama pengeringan. f Kapasitas penyerapan minyak
Karena PVDF adalah bahan hidrofobik tetapi bukan bahan oleofobik, sorben PVDF dapat menyerap minyak sambil menolak air. Kami selanjutnya mendemonstrasikan penerapan serat berpori makro, beralur, dan kasar untuk penyerapan minyak (Gbr. 9e). Tiga oli tipikal (oli silikon, oli motor, dan oli zaitun) dipilih untuk memeriksa sampel yang berbeda.
Sifat khas minyak ini tercantum dalam Tabel 2. Seperti yang diharapkan, di antara tiga jenis bahan penyerapan minyak, serat berpori makro menunjukkan kapasitas penyerapan minyak tertinggi 50,58 ± 5.47 g/g, 37.74 ± 4.33 g/g, dan 23,96 ± 2,68 g/g untuk oli silikon, oli motor, dan oli zaitun, masing-masing (Gbr. 9f). Khususnya, serat berpori makro menunjukkan kapasitas penyerapan oli 1,18, 1,17, dan 1,19 kali berturut-turut dari serat beralur untuk oli silikon, oli motor, dan oli zaitun. Selain itu, serat berpori makro menunjukkan kapasitas penyerapan minyak 1,29, 1,24, dan 1,26 kali dari serat kasar untuk minyak silikon, oli motor, dan minyak zaitun, masing-masing. Hasil ini harus dikaitkan dengan fakta bahwa serat berpori makro memiliki luas permukaan tertinggi, sedangkan serat kasar memiliki luas permukaan terendah di antara semua sampel. Di antara tiga jenis minyak yang dipelajari, semua sampel yang diuji menunjukkan kapasitas penyerapan terbaik untuk minyak silikon, mungkin karena viskositas minyak silikon yang lebih tinggi.
Kesimpulan
Kami telah mendemonstrasikan metode yang tepat dan andal untuk pembentukan serat nano PVDF berpori makro, kasar, dan beralur dengan pori-pori internal. Untuk memahami mekanisme yang bertanggung jawab atas pembentukan serat PVDF, kami menguji tiga sistem pelarut (yaitu, campuran ACE, DMF, dan ACE-DMF) di bawah tingkat kelembaban relatif yang berbeda (5%, 25%, 45%, dan 65). %). Kami menemukan bahwa tidak ada pemisahan fase yang terjadi pada kelembaban relatif 5% dengan menggunakan pelarut sebelumnya, menghasilkan pembentukan serat halus dengan interior padat. Kami menemukan bahwa pembentukan pori-pori makro pada permukaan serat dengan interior padat pada kelembaban relatif 25% harus dikaitkan dengan TIPS karena tekanan uap yang tinggi dari ACE dan mekanisme nukleasi, sedangkan pembentukan pori-pori makro pada permukaan serat dengan pori-pori interior pada kelembaban relatif 45% dan 65% harus dianggap berasal dari koeksistensi mekanisme TIPS dan VIPS. Selain itu, kami menemukan bahwa tekanan uap rendah DMF memainkan peran inti dalam produksi serat kasar dengan pori-pori di interior oleh VIPS. Sementara mekanisme pemanjangan berbasis kerutan memainkan peran kunci dalam fabrikasi serat beralur dengan struktur interior berpori. Serat berpori makro (> 300 nm) menunjukkan kinerja penyerapan minyak tertinggi sebesar 50,58 ± 5,47 g/g, 37,74 ± 4,33 g/g, dan 23,96 ± 2,68 g/g untuk oli silikon, oli motor, dan oli zaitun, masing-masing. Yang penting, pemahaman kita tentang mekanisme yang bertanggung jawab untuk pembentukan serat PVDF berpori makro, kasar, dan beralur dengan porositas interior dapat berfungsi sebagai referensi penting untuk fabrikasi serat electrospun dengan mengatur pelarut dan kelembaban relatif.
