Pengaruh Suhu terhadap Modulus Young Nanofibre Poliuretana Elektrospinning

Abstrak

Nanofibre poliuretana (PU) elektrospinning dibuat dan diperiksa menggunakan mikroskopi gaya atom (AFM) untuk mengukur perilaku mekaniknya. Uji lengkungan tiga titik yang dilakukan pada serat individu mengungkapkan modulus Young sekitar 25 GPa untuk serat ~150 nm diameter pada suhu ruang. Saat diameter menyusut, modulus naik, dikaitkan dengan efek tegangan permukaan. Peningkatan suhu menghasilkan penurunan linear dalam modulus sementara morfologi fibrous tetap utuh.

Latar Belakang

Nanomaterial satu dimensi (1D) menarik perhatian karena properti unik dan aplikasi yang beragam. Meskipun beberapa jalur pembuatan ada, electrospinning menonjol karena biaya rendah, skalabilitas, dan kemampuan untuk menghasilkan serat sub-mikron melalui penyisiran jet elektrostatik.

Poliuretana menggabungkan segmen lunak dan keras yang terhubung oleh ikatan urethan; rantai lunak memberikan fleksibilitas, dan rantai keras memberikan kekuatan. Kekerasan yang dapat disesuaikan membuat PU pilihan populer di seluruh industri. Serat PU elektrospinning menunjukkan janji untuk filter udara berkinerja tinggi, tekstil pelindung, luka luka, dan sensor. Namun, properti mekaniknya masih kurang dipahami, sebagian besar karena pengujian pada skala nano adalah tantangan. AFM telah muncul sebagai alat praktis untuk mencermat elastisitas struktur 1D tunggal, dan metode lengkungan tiga titik berbasis AFM telah dikembangkan untuk mengukur modulus Young dengan presisi tinggi.

Dalam studi ini, kami menyiapkan nanofibre PU elektrospinning dan menggunakan lengkungan tiga titik AFM untuk menyelidiki bagaimana suhu mempengaruhi modulus Young mereka.

Metode

Persiapan Bahan

Elastomer poliuretana (Elastollan® 1180A10, BASF) dilarutkan dalam campuran 1:1 N,N-dimetilformamida (DMF) dan tetrahidrofuran (THF; Tianjin Hengxing Chemical Reagent Co., Ltd.). Larutan diaduk dengan kuat pada suhu ruang selama 12 jam untuk memastikan pelarutan sempurna. Elektrospinning dilakukan dengan sistem komersial (Beijing Ucalery Technology Development Co., Ltd.). Tegangan tinggi 9–10 kV diberikan di sepanjang celah 13 cm antara spinneret dan mandrel berputar yang di-grating. Serat dikumpulkan, dikeringkan dalam vakum selama malam untuk menghilangkan pelarut sisa, dan disimpan dalam desikator sebelum pengujian.

Karakterisasi Fisik dan Pengujian

Mikroskopi elektron pemindai (SEM, JSM-6610LV) digunakan untuk menilai morfologi serat. Termogravimetri dan kalorimetri diferensial pemindaian (TG/DSC) dilakukan pada TA Instruments SDT Q600 dalam argon. Modulus makroskopis membran elektrospinning diukur dengan mesin pengujian universal Instron 5943. Untuk pengujian nanomekanik, serat disetor pada templat silikon dengan selokan 2 µm lebar, 3 µm dalam; sond AFM bola 50 nm diameter (Bruker Nano) memberikan gaya di pusat selokan. Konstanta pegas kantilever dikalibrasi dengan tuning termal, dan sensivitas defleksi diatur pada referensi safir. Lima pengukuran independen per serat dirata-rata. Analisis elemen hingga (ANSYS 15.0) mengevaluasi penetrasi sond, mengonfirmasi bahwa deformasi permukaan serat adalah tidak signifikan.

Hasil dan Pembahasan

Gambar SEM menunjukkan jaringan acak serat yang bervariasi dari beberapa ratus nanometer hingga beberapa mikrometer. Potongan lintang AFM mengonfirmasi profil lateral seragam, dengan diameter rata-rata ~300 nm. Kurva TG/DSC menunjukkan dua tahap degradasi: penurunan bobot minor antara 100–200 °C (air dan volatil) dan penurunan yang jelas pada ~300 °C (dekomposisi polimer). Spektra FTIR menunjukkan puncak PU karakteristik pada 3320, 2960, 1710, 1530, 1220, 1110, dan 777 cm⁻¹, mengonfirmasi integritas kimia serat.

Dalam pengaturan lengkungan tiga titik (Gambar 3), modulus Young (E) dihitung menggunakan:

E = FL³ / (192 dI), dengan F adalah gaya titik tengah, L adalah panjang tertunda, d adalah defleksi, dan I = πr⁴/4. Pengujian memenuhi semua asumsi (ujung tetap, L≫r, d kecil). Hasil FEM menunjukkan penetrasi sond <10 % dari deformasi, memvalidasi model elastis linier.

Plot modulus versus diameter (Gambar 4a) mengungkapkan ketergantungan ukuran yang jelas: 25 GPa pada 150 nm, turun ke ~5 GPa untuk serat >300 nm. Tren ini selaras dengan laporan untuk nanofibre polimer lain dan dapat dikaitkan dengan tegangan permukaan. Menggunakan model tegangan permukaan, modulus intrinsik nanofibre PU adalah ≈5,0 GPa, lebih tinggi dari PU massal karena orientasi rantai selama elektrospinning. Membran elektrospinning itu sendiri menunjukkan modulus rendah (~0,9 MPa) karena porositas tinggi.

Pengujian bergantung suhu (Gambar 5a) menunjukkan penurunan linear modulus dari 25 °C hingga 60 °C untuk serat 155 nm. Pengcitraan AFM pada 60 °C mengonfirmasi bahwa serat tetap utuh, dengan hanya peningkatan diameter kecil (200→214 nm). Temuan ini menunjukkan bahwa nanofibre PU mempertahankan stabilitas dimensi pada suhu moderat dan dapat berguna dalam nanosensor dan perangkat responsif suhu.

Pengujian ketahanan (Gambar 6) melibatkan 50 siklus lengkungan pada serat 215 nm. Modulus tetap pada dasarnya tidak berubah, menunjukkan ketahanan mekanik yang kuat.

Kesimpulan

Kami mengukur modulus Young nanofibre PU elektrospinning menggunakan lengkungan tiga titik berbasis AFM. Modulus naik tajam saat diameter menyusut, perilaku yang dikendalikan oleh tegangan permukaan. Suhu menyebabkan penurunan linear modulus antara 25 °C dan 60 °C, namun serat mempertahankan morfologinya dan menahan lengkungan berulang tanpa kehilangan kekakuan yang signifikan.

Singkatan

1D

Satu dimensi

AFM

Mikroskopi gaya atom

DMF

N,N-dimetilformamida

PU

Poliuretana

SEM

Mikroskopi elektron pemindai

TGA/DSC

Termogravimetri kalorimetri diferensial pemindaian

THF

Tetrahidrofuran