在静电纺丝商用聚合物纳米纤维上通过气相沉积法制备电活性聚(3,4-乙烯二氧噻吩)

摘要

本文介绍了一种利用气相沉积法在静电纺丝聚丙烯腈（PAN）纳米纤维上涂覆电活性聚合物的简单技术。研究了氧化剂FeCl₃对在PAN上沉积聚(3,4-乙烯二氧噻吩)涂层的影响，以理解并优化聚合物的生长、纤维直径以及纳米纤维膜的整体机械强度。

摘要

本研究探讨通过静电纺丝法制备聚丙烯腈（PAN）纳米纤维，以构建高孔隙率且高强度的材料，适用于水净化、电催化及生物医学领域。均匀的白色PAN纳米纤维膜被裁剪为2 cm × 2 cm的样品片，以确保一致性。静电纺丝完成后，采用化学气相沉积法在这些纳米纤维上涂覆一种电活性聚合物（EAP），其中三氯化铁（FeCl₃）作为氧化剂，用于将3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）聚合为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）。研究考察了不同FeCl₃浓度对PAN样品片上PEDOT沉积的影响。PEDOT的沉积导致样品片重量增加。扫描电子显微镜（SEM）显示，随着FeCl₃ 氧化剂浓度的升高，纳米纤维直径增大；然而，较高浓度的FeCl₃引起纤维间桥接现象，表明纤维间间距相应减小。能量色散X射线光谱（EDS）用于确认纳米纤维中Fe、Cl和S元素的存在，其中硫含量随所用FeCl₃ 浓度的升高而增加，提示随着氧化剂浓度升高，PEDOT沉积效率提高。力学测试表明，与纯PAN纳米纤维相比，PEDOT涂层的PAN纤维在水合状态下具有更高的拉伸强度和韧性。这些结果凸显了FeCl₃ 浓度在调控PAN-PEDOT复合材料形貌与性能方面的重要作用，从而增强其在水净化、组织工程、生物传感、催化及能量存储等应用中的适用性。

引言

静电纺丝是一种用于制备纳米纤维基材料的技术，其应用包括组织工程、药物递送、生物传感、食品封装、绝缘材料、能量储存与耗散、催化以及过滤等领域。该技术的多功能性支持多种纤维排列方式和形态结构，推动了多个行业的创新发展^1,2,3,4,5,6。静电纺丝是一种由电压驱动的制备技术，可从聚合物溶液中生成微小纤维。基本装置包括一个装有喷丝头（不锈钢针头或 毛细管挤出管）的注射器，其中充满聚合物溶液，另配有注射泵、高压电源和收集器，如图1A所示。注射泵可确保聚合物溶液以恒定流速输送。使用旋转滚筒作为收集器可制备出更大且更均匀的纤维膜；低速旋转时得到随机取向的纤维，而高速旋转则使纤维沿滚筒旋转方向有序排列³。实现纤维取向所需的转速取决于具体的聚合物溶液，并可能受溶液黏度、表面张力和浓度等因素影响。当在针尖与收集器之间建立电场时，液体表面会聚集电荷，过程由此开始。当静电排斥力超过表面张力时，聚合物溶液形成泰勒锥，进而产生一股带电液体射流，向收集器方向运动。随着溶剂蒸发，....

方案

1. 实验设置

1. PAN的静电纺丝 纳米纤维
   1. 将1 g PAN溶解于10 mL DMF中，配制成10%溶液。
   2. 组装静电纺丝装置，确保高压电源、注射泵和带有平头的20号针头已连接至接地点的收集器，如图所示 图1 和 图2确保在通风橱内使用静电纺丝仪，或将其连接至通风管道，以尽量减少接触溶剂蒸气。
   3. 用蜡纸覆盖用于接收聚合物纳米纤维的金属收集筒，以便于纤维的回收，并最大限度减少样品间的交叉污染。
   4. 用PAN溶液填充注射器，并使用内径为0.8 mm、带鲁尔接头的聚四氟乙烯（PTFE）管将其连接至喷丝头针头。
   5. 将注射泵的流速设置为 0.04 mL/min。可根据聚合物溶液的性质按需调整流速。
   6. 在喷丝头与接地的收集器之间施加18.9 kV的电压，收集器转速设定为1,200 rpm^29,30电纺丝过程涉及高电压，应遵循相应的操作规范。
   7. 让带电射流从喷丝头处引出，在溶剂蒸发过程中固化形成连续的纳米纤维。确保所有批次实验中的施加电压、溶液流速和滚筒旋转速度保持一致，以获得均匀的纤维形貌和直径。

结果

本研究通过静电纺丝法制备了电活性聚合物包覆的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维，以开发具有高孔隙率且力学性能优异的材料。这类材料可应用于水净化中的过滤材料、吸附剂和光催化剂，也可作为电催化基底，以及组织工程、神经再生、药物递送和生物传感的支架/基质。为了赋予这些材料电活性特性，采用化学气相沉积法在PAN纳米纤维表面包覆了电活性聚合物PEDOT。

首先通过静电纺丝 PAN 溶液制备样品片，形成白色、均匀的纳米纤维膜。静电纺丝完成后，将 PAN 纳米纤维膜置于真空干燥器中干燥 72 h，以去除残留溶剂或水分。干燥后的纳米纤维膜用剪刀裁剪成 2 cm × 2 cm 的样品片，并根据滚筒旋转方向记录样品片的位置，如图3所示。通过这种方式，可判断样品片位置是否对形貌产生影响。所得纳米纤维膜外观均匀，沿滚筒旋转方向在颜色和重量分布上均保持一致的白色和均一性。样品片按三个一组进行分组，每组重复样品取自纤维膜的同一列.......

讨论

本研究描述了利用商品化聚合物静电纺丝制备纳米纤维膜、通过气相氧化聚合在这些纳米纤维上涂覆电活性聚合物，以及表征这些材料化学与机械性能的实验方案。

静电纺丝已成为一种有用的工具，可用于制备高比表面积材料，广泛应用于生物医学、可持续发展及电子等领域^1,2。鉴于静电纺丝需要高电压，建议从知名品牌购买专用设备。尽管如此，读者可参考外部资源以了解构建静电纺丝系统的最佳实践³⁴。静电纺丝材料的性质受多种聚合物溶液和工艺参数的影响。用于静电纺丝的聚合物溶液的黏度、浓度、导电性、分子量和表面张力等关键参数，均会影响纤维的形成及其直径^35,36,37,38,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
10X PBS	Thermo Fisher Scientific	BP399-1	用于模拟体内盐浓度和湿度条件
丙酮	Thermo Scientific	A412P4	用于清洁VPD腔室
DMF	EMD Milipore Corporation	DX1727-6	用作溶剂以制备PAN溶液
EDOT	TCI	E0741	电活性单体，用于在PAN圆片上沉积聚合物
静电纺丝装置	SprayBase	ES30N-5W	用于制备PAN纳米纤维
FeCl3	Thermo Scientific	12357.22	通过电活性单体的化学氧化引发聚合反应
滤纸（180 μm）	VWR	28310-015	用于过滤
高压电源	Gamma	ES30N-5W	15 kV–20 kV。本实验使用18.9 kV。
加热板	Corning	PC420D	用于加热真空腔室
甲醇	Fischer Chemical	A412-4	用于从EAP包覆的PAN上去除FeCl2和FeCl3
针头	BDYale	511098	20G
PAN粉末	Ambeed	A971305	用于制备PAN纳米纤维。平均分子量为150,000 g/mol。
PTFE管	Microsolv Tech Corp.	49210-20-C	内径0.8 mm，外径1.6 mm
泵	Kozyvacu	ZK220419	用于在腔室内产生真空
注射器	Air-Tite	231220	10 mL，一次性注射器
注射泵	New Era	NE-300	流速0.04 mL/min
带压力表的真空腔室	BAC Eng	X002APOXUR
蜡纸	Reynolds Kitchen	CM-3CY-06KR	用于覆盖金属滚筒并收集PAN纳米纤维