Methodenartikel

Dampfphasenabscheidung von elektroaktivem Poly(3,4-ethylendioxythiophen) auf elektrogesponnenen Polymer-Nanofasern

DOI:

10.3791/67825

⸱

7. März 2025

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Material Science, Engineering and Commercialization, Texas State University, 2Department of Chemistry and Biochemistry, Texas State University, 3Chemical and Biological Engineering, University of Colorado Boulder, 4STAR Park, Texas State University, 5College of Science and Engineering, University of Houston-Clear Lake

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In diesem Artikel wird eine einfache Technik zur Beschichtung von elektrogesponnenen PAN-Nanofasern mit elektroaktiven Polymeren mittels Aufdampfung beschrieben. Die Auswirkungen des Oxidationsmittels FeCl₃ auf die Abscheidung von Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Beschichtungen auf PAN wurden untersucht, um das Polymerwachstum, den Faserdurchmesser und die mechanische Gesamtfestigkeit der Nanofasermatten zu verstehen und zu optimieren.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Studie untersucht die Herstellung von Polyacrylnitril (PAN)-Nanofasern durch Elektrospinnen, um hochporöse und feste Materialien für Anwendungen in der Wasserreinigung, Elektrokatalyse und Biomedizin herzustellen. Die einheitlich weißen PAN-Nanofasermatten wurden in 2 cm x 2 cm große Coupons geschnitten, um die Konsistenz zu gewährleisten. Nach dem Elektrospinnen wurden diese Nanofasern mittels chemischer Gasphasenabscheidung mit einem elektroaktiven Polymer (EAP) beschichtet, wobei Eisen(III)-chlorid (FeCl3) als Oxidationsmittel für die Polymerisation von 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT) zu Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) diente. Die Studie untersuchte den Einfluss unterschiedlicher FeCl3-Konzentrationen auf die PEDOT-Abscheidung auf die PAN-Coupons. Die PEDOT-Ablagerung führte zu einer Erhöhung des Kupongewichts. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigte eine Zunahme des Durchmessers der Nanofasern, die mit zunehmender FeCl 3-Oxidationsmittelkonzentration behandelt wurden, obwohl höhere FeCl3-Konzentrationen eine Überbrückung zwischen den Fasern verursachten, was eine gleichzeitige Abnahme des Abstands zwischen den Fasern impliziert. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) wurde verwendet, um das Vorhandensein von Fe, Cl und S in den Nanofasern zu bestätigen, wobei der Schwefelgehalt mit der verwendeten FeCl3-Konzentration anstieg, was auf eine erhöhte PEDOT-Abscheidungseffizienz mit zunehmender Oxidationsmittelkonzentration hindeutet. Mechanische Tests zeigten, dass PEDOT-beschichtete PAN-Fasern im hydratisierten Zustand im Vergleich zu reinen PAN-Nanofasern eine verbesserte Zugfestigkeit und Zähigkeit aufwiesen. Diese Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Rolle der FeCl3-Konzentration bei der Beeinflussung der Morphologie und Eigenschaften von PAN-PEDOT-Verbundwerkstoffen und verbessern ihre Eignung für Anwendungen wie Wasserreinigung, Tissue Engineering, Biosensorik, Katalyse und Energiespeicherung.

Einleitung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrospinnen ist eine Technik, die zur Herstellung von Nanofaser-basierten Materialien für Anwendungen wie Tissue Engineering, Arzneimittelverabreichung, Biosensorik, Lebensmittelverkapselung, Isoliermaterialien, Energiespeicherung und -ableitung, Katalyse und Filtration verwendet wird. Die Vielseitigkeit dieser Technik ermöglicht unterschiedliche Faseranordnungen und morphologische Strukturen und unterstützt Innovationen in verschiedenen Branchen 1,2,3,4,5,6. Elektrospinnen ist eine spannungsgesteuerte Fertigungstechnik, bei der kleine Fasern aus einer Polymerlösung hergestellt werden. Die Grundausstattung besteht aus einer Spritze, die mit einer Spinndüse (einer Edelstahlnadel oder einem Kapillarextrusionsrohr) bestückt ist, die mit einer Polymerlösung gefüllt ist, einer Spritzenpumpe, einer Hochspannungsstromquelle und einem Kollektor, wie in Abbildung 1A gezeigt. Die Spritzenpumpe sorgt für einen konstanten Durchfluss der Polymerlösung. Die Verwendung einer rotierenden Trommel als Kollektor ermöglicht die Vorbereitung größerer, gleichmäßigerer Fasermatten; Die Rotation bei niedrigen Drehzahlen ergibt zufällig orientierte Fasern, während die Rotation bei hohen Drehzahlen Fasern ergibt, die in Richtung der Trommeldrehung3 orientiert sind. Die für die Faserausrichtung erforderliche Geschwindigkeit ist polymerlösungsspezifisch und kann in Abhängigkeit von Faktoren wie Lösungsviskosität, Oberflächenspannung und Konzentration variieren. Der Prozess beginnt, wenn zwischen der Nadelspitze und dem Kollektor ein elektrisches Feld aufgebaut wird, das dazu führt, dass sich Ladungen auf der Flüssigkeitsoberfläche ansammeln. Wenn die elektrostatische Abstoßung die Oberflächenspannung überwindet, bildet die flüssige Polymerlösung einen Taylor-Kegel, der zu einem Strahl geladener Flüssigkeit führt, der sich in Richtung des Kollektors bewegt. Beim Verdampfen des Lösungsmittels werden feste Polymerfasern auf dem Kollektor 4,5 abgeschieden. Elektrogesponnene Nanofasern wurden aus verschiedenen Polymeren hergestellt, darunter Polyacrylnitril (PAN), Polystyrol (PS), Polyvinylalkohol (PVA), Polycaprolacton (PCL), Poly(ethylenoxid) (PEO), Poly(milchsäure-co-glykolsäure) (PLGA), Nylon, Poly(vinylidenfluorid)/Polyurethan und Polyvinylpyrrolidon 1,7,8,9,10,11,12.

Von besonderem Interesse ist die Herstellung von elektrogesponnenen Nanofaser-basierten Materialien unter Verwendung von elektroaktiven Polymeren (EAPs). EAPs sind Materialien mit konjugiertem Rückgrat, die mit chemischen oder elektrochemischen Prozessen reversibel zwischen mehreren Oxidationsstufen umgeschaltet werden können. Diese Modifikation führt zu Veränderungen von Eigenschaften wie Farbe, Leitfähigkeit, Reaktivität und Volumen13. Diese Vielseitigkeit macht EAPs gut geeignet für Anwendungen wie Energieumwandlung und -speicherung, Elektrochromie, Aktuatoren, Sensoren und bioelektronische Geräte. EAP-Nanofasern haben insbesondere potenzielle Anwendungen in den Bereichen Energiespeicherung, Sensoren, Aktuatoren, Trennungen, Nerven-/Gewebetechnik und Biosensorik14. Elektroaktive Polymere (EAPs) stellen aufgrund ihrer niedrigen Viskosität und hohen Leitfähigkeit mehrere Herausforderungen beim Elektrospinnen dar, was eine stabile Strahlbildung behindern und zu Strahlinstabilität und Raupenbildung anstelle von Endlosfasern führen kann. Ihre Empfindlichkeit gegenüber elektrischen Feldern kann zu einer vorzeitigen Verformung oder Aktivierung führen, was zu einer inkonsistenten Faserbildung führt. Darüber hinaus leiden EAPs in der Regel unter einer schlechten Löslichkeit, was die Verwendung speziell geeigneter Lösungsmittel erfordert, die die Viskosität der Lösung, die Oberflächenspannung und die dielektrischen Eigenschaften beeinflussen und den Prozess erschweren. Die mechanischen Eigenschaften von EAPs, wie z. B. geringe Elastizität und Flexibilität, können zu Strahlbruch und Faserinkonsistenz führen. Gleichzeitig müssen die Parameter des Elektrospinnprozesses, einschließlich Spannung, Nadel-Kollektor-Abstand und Durchflussrate, sorgfältig optimiert werden, um den Prozess komplexer und weniger reproduzierbar zu machen 15,16,17,18. Obwohl es mehrere bemerkenswerte Ausnahmen gibt, ist es in den meisten Fällen nicht möglich, Lösungen von EAPs ohne den Einbau zusätzlicher Polymere, so genannter Trägerpolymere, zu elektrospinnen, die in der Lage sind, zu elektrospinnen19.

Für die Herstellung von Materialien auf Basis von EAP-Nanofasern wurden alternative Methoden entwickelt. Durch das Mischen von EAPs mit anderen Polymeren oder Nanopartikeln ergeben sich Eigenschaften, die eine Mischung aus den beiden Polymerensind 1. Während das Mischen von EAPs mit Trägerpolymeren das Elektrospinnen ermöglicht, können die wünschenswerten Eigenschaften des EAP – insbesondere seine Elektroaktivität (Fähigkeit, seine Eigenschaften in Gegenwart eines elektrischen Feldes zu ändern) und seine Leitfähigkeit – beim Mischen verloren gehen. Stattdessen kann die Beschichtung von nicht-elektroaktiven elektrogesponnenen Nanofasern mit EAPs eine Möglichkeit sein, die Elektroaktivität und Leitfähigkeit des EAP an der Oberfläche bereitzustellen, während ein mechanisch robustes Polymer im Kern der Nanofasern vorhanden ist. EAP-Beschichtungen können durch Elektroabscheidung, Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung oder Dampfphasenabscheidung durchgeführt werden. Die Elektroabscheidung hat jedoch einige Nachteile. Es erfordert leitfähige Substrate, was die Verwendung mit nicht leitenden Materialien einschränkt, es sei denn, sie werden einer Vorbehandlung unterzogen, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Das Erzielen gleichmäßiger Beschichtungen auf komplexen oder porösen Oberflächen kann aufgrund ungleichmäßiger elektrischer Felder eine Herausforderung darstellen, was zu variablen Abscheidungsdicken führt. Die Kontrolle der Morphologie, Dicke und Kristallinität der Beschichtung erfordert auch eine genaue Abstimmung der Elektrolytzusammensetzung und der angelegten Spannung. Darüber hinaus können großflächige oder dreidimensionale Objekte keine gleichmäßigen Beschichtungen erhalten, insbesondere in vertieften Bereichen. Das Risiko einer Kontamination durch Verunreinigungen im Elektrolyten oder auf der Elektrodenoberfläche kann zu Defekten führen, während energieintensive Prozesse die Technik zusätzlich erschweren19. Die Tauchlackierung ist ein Verfahren, bei dem Substrate in eine EAP-Polymerlösung getaucht und dann mit einer kontrollierten Geschwindigkeit zurückgezogen werden, um einen dünnen Film zu erzeugen. Alternativ könnte auf die Tauchbeschichtung eines Substrats mit einer Monomerlösung ein sekundärer Polymerisationsschritt folgen. Die Wahl des Lösungsmittels ist entscheidend; Es muss das Polymer oder Monomer auflösen, ohne die darunter liegenden Fasern aufzulösen. Die Bildung von Non-Conformal Coatings oder Aggregation kann jedoch insbesondere bei komplexen Oberflächen ein Nachteil sein. Die Sprühbeschichtung deckt große oder komplexe Oberflächen effizient ab und kann mit anderen Verfahren für Mehrschichtanwendungen kombiniert werden20, aber die Sprühbeschichtung erfordert auch eine sorgfältige Auswahl des Lösungsmittels, um ein Auflösen der Substratpolymere zu vermeiden. Die Gasphasenabscheidung, insbesondere die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), vermeidet in der Regel Löslichkeitsprobleme, erzeugt gleichmäßige, dünne Beschichtungen mit hervorragender Haftung, ermöglicht die Abdeckung komplexer Geometrien und ist ein skalierbarer Prozess. CVD ist ein weit verbreitetes Verfahren zur gleichmäßigen Beschichtung von Substraten mit verschiedenen Materialien wie Kohlenstoff, Metalloxiden und EAPs, indem Vorläufer verdampft, zum Substrat transportiert und Adsorption, Keimbildung und Wachstum unter kontrollierten Bedingungen ermöglicht werden. Im Falle der CVD von EAPs beinhaltet der Prozess typischerweise das Verdampfen von Monomeren und/oder Oxidationsmitteln, um eine in-situ-oxidative Polymerisation auf den Fasern zu ermöglichen. CVD bietet Vorteile wie gleichmäßige und konforme Beschichtungen, präzise Dünnschichtbildung, Skalierbarkeit für industrielle Anwendungen und Vielseitigkeit bei der Materialabscheidung, wodurch die Funktionalität von Nanofasern für verschiedene Anwendungen verbessertwird 21. CVD wurde von Zhu et al. für die Beschichtung von kalzinierten NiCo2O4 Nanofasern, die ursprünglich mit Polyvinylpyrrolidon hergestellt wurden, mit dem EAP Polypyrrol22 verwendet.

In unserer Arbeit wurden Nanofasermatten aus PAN als Substrate für die CVD von EAPs hergestellt. PAN ist ein kostengünstiges Standardpolymer, das in wässrigen Medien unlöslich ist, umweltstabil ist und eine hohe Festigkeit und einen hohen Modul aufweist. Jüngste Studien von Sapountzi et al.23 haben die erfolgreiche Abscheidung verschiedener Materialien auf PAN-Nanofasern mit Hilfe von CVD-Techniken gezeigt. Insbesondere setzten sie elektrogesponnene Lösungen von PAN, die das Oxidationsmittel Eisenchlorid enthielten, und setzten die Fasern dann Pyrrol- und/oder Pyrrol-3-Carbonsäuredämpfen aus, um Kern-Schale-Nanofasern aus PAN und EAPs für die Glukosemessungherzustellen 23.

Bei der CVD von EAPs ist die Konzentration des Oxidationsmittels entscheidend, um die oxidative Polymerisation von elektroaktiven Monomeren wie Pyrrol und Anilin auf elektrogesponnenen Nanofasern zu ermöglichen, was die Abscheidungsrate und die Eigenschaften der resultierenden leitenden Polymere erheblich beeinflusst. Eisenchlorid (FeCl3) wird üblicherweise als Oxidationsmittel verwendet, wobei monomere Radikalkationen gebildet werden, die reagieren, um Polymerezu erzeugen 24,25. Höhere FeCl3-Konzentrationen erhöhen die Polymerisations- und Abscheidungsraten aufgrund der mehr verfügbaren oxidierenden Spezies, während niedrigere Konzentrationen diese Prozesse verlangsamen. Sapountzi et al. zeigten, dass höhere FeCl3-Konzentrationen zu schnelleren Abscheidungsraten und gleichmäßigeren Beschichtungen von Polypyrrol (PPy) auf PAN-Nanofasern führten und umgekehrt23. Bei niedrigen FeCl3-Konzentrationen verlangsamt die begrenzte Verfügbarkeit oxidierender Spezies die Bildung von radikalischen Kationen und den anschließenden Polymerisationsprozess25,26. Auf der anderen Seite berichteten Xue et al., dass eine optimale FeCl3-Konzentration von 0,25 M zu einer gleichmäßigen und hochleitfähigen PPy-Beschichtung auf PAN-Nanofasern führte, während höhere Konzentrationen zu einer Überoxidation und Degradation des Polymers27 führten. Wissmann et al. untersuchten die Abscheidung von Polyanilin (PANI) auf PAN-Nanofasern und beobachteten, dass eine Erhöhung der FeCl3-Konzentration von 0,1 M auf 0,5 M die Abscheidungsrate und Leitfähigkeit der PANI-Beschichtung signifikant erhöhte, eine weitere Erhöhung der Konzentration jedoch zu einer ungleichmäßigen Abscheidung führte. Zhang et al. berichteten über die Abscheidung eines Copolymers aus Anilin und o-Anisidin auf PAN-Nanofasern unter Verwendung unterschiedlicher FeCl3-Konzentrationen. Sie fanden heraus, dass eine optimale FeCl3-Konzentration von 0,25 M zu einer gleichmäßigen und hochleitfähigen Beschichtung führte, während höhere Konzentrationen zu einer Überoxidation und Degradation des Polymers führten, was durch die geringere Leitfähigkeit des Materialsgekennzeichnet ist 28. Daher ist eine sorgfältige Auswahl der Oxidationsmittelkonzentrationen entscheidend, um optische EAP-Beschichtungen zu gewährleisten.

Diese Forschung zeigt die Verwendung von CVD für die Herstellung von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT)-beschichteten PAN-Nanofasern. Diese Forschung konzentriert sich daher auf den Prozess, bei dem PAN-Nanofasern zunächst elektrogesponnen werden, gefolgt von der Infusion dieser PAN-Nanofasern mit FeCl3 in verschiedenen Konzentrationen und dann von der Abscheidung von EAPs auf den FeCl3-Fasern, wie in Abbildung 1 gezeigt. Die Studie untersucht den Einfluss unterschiedlicher Konzentrationen von FeCl3 auf die Abscheidungsrate von PEDOT auf den Nanofasern. Mechanische Tests bewerten die Auswirkungen von PEDOT-Beschichtungen auf die mechanischen Eigenschaften der Materialien, insbesondere in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, die auf die Relevanz des Materials für biomedizinische und Wasserreinigungsanwendungen hinweisen. Die Optimierung der FeCl3-Konzentration ist entscheidend für eine effiziente und präzise Abscheidung von EAPs, was zu gleichmäßigen Beschichtungen und verbesserten Materialeigenschaften führt. Das Fehlen umfassender Studien, die die Auswirkungen von FeCl3-Konzentrationen und VPD-Aufbaueigenschaften auf die Abscheidungsrate und Funktionalität von EAP-beschichteten PAN-Nanofasern untersuchen, unterstreicht die Bedeutung dieser Forschung. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind besonders bedeutsam angesichts der Unterschiede, die bei der EAP-Abscheidung bei niedrigeren FeCl3-Konzentrationen im Vergleich zu früheren Studien beobachtet wurden, was die entscheidende Rolle des Aufbaus der Dampfphasenabscheidung (VPD) unterstreicht.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Versuchsaufbau

  1. Elektrospinnen von PAN-Nanofasern
    1. 1 g PAN in 10 ml DMF auflösen, um eine 10%ige Lösung herzustellen.
    2. Montieren Sie die Elektrospinnanlage und stellen Sie sicher, dass das Hochspannungsnetzteil, die Spritzenpumpe und eine 20-Gauge-Nadel mit flacher Spitze an einen geerdeten Kollektor angeschlossen sind, der in Abbildung 1 und Abbildung 2 gezeigt ist. Stellen Sie sicher, dass der Elektrospinner in einem Abzug verwendet oder an Lüftungskanäle angeschlossen wird, um die Exposition gegenüber Lösungsmitteldämpfen zu minimieren.
    3. Decken Sie die Metallsammeltrommel, in die die Polymer-Nanofasern aufgenommen werden, mit Wachspapier ab, um die Faserentnahme zu erleichtern und eine Kreuzkontamination zwischen den Proben zu minimieren.
    4. Füllen Sie die Spritze mit der PAN-Lösung und verbinden Sie sie mit einem Schlauch aus Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Innendurchmesser von 0,8 mm und Luer-Adaptern mit der Spinndüse.
    5. Stellen Sie die Durchflussrate der Spritzenpumpe auf 0,04 mL/min ein. Die Durchflussmenge kann je nach den Eigenschaften der Polymerlösung je nach Bedarf angepasst werden.
    6. Zwischen der Spinndüse und dem geerdeten Kollektor wird eine Spannung von 18,9 kV angelegt, die sich mit 1.200 U/min29,30 dreht. Befolgen Sie beim Elektrospinnen die richtigen Richtlinien, da es sich bei dem Prozess um Hochspannung handelt.
    7. Lassen Sie den geladenen Strahl von der Spinndüse aus starten, wo er sich beim Verdampfen des Lösungsmittels zu kontinuierlichen Nanofasern verfestigt. Stellen Sie sicher, dass die angelegte Spannung, die Lösungsdurchflussrate und die Trommeldrehzahl über alle Chargen hinweg konsistent sind, um eine einheitliche Fasermorphologie und einen einheitlichen Durchmesser zu erreichen.
    8. Lassen Sie die PAN-Nanofasern ca. 4,5 h lang auf dem geerdeten, mit Wachspapier beschichteten Kollektor ablagern. Wickeln Sie nach dieser Zeit das Wachspapier von der Trommel ab, indem Sie das Klebeband entfernen.
  2. Vorbereitung von PAN-Coupons
    1. Trocknen Sie die PAN-Plattenmatte in einem Vakuumexsikkator bei Raumtemperatur für 72 Stunden, um Lösungsmittelreste oder Wasser, das während der Verarbeitung adsorbiert wurde, zu entfernen.
    2. Schneide die getrockneten Fasermatten mit einer Schere oder einer Rasierklinge in 2 cm x 2 cm große Coupons. Notieren Sie sich die Positionen der Coupons in Bezug auf die Drehrichtung der Trommel, wie in Abbildung 3 dargestellt. Organisieren Sie Coupons in Gruppen von Triplikaten und erstellen Sie Replikate aus derselben Spalte der Fasermatte, um die Konsistenz zu gewährleisten.
  3. Montage von Vakuumsystemen
    1. Montieren Sie das chemische Gasphasenabscheidungssystem unter Verwendung eines geschlossenen Stahlbehälters mit einem Glasdeckel, der mit einer Silikondichtung versehen ist, um die Vakuumbedingungen präzise zu steuern, wie in Abbildung 4 gezeigt. Diese Behälter sind als Vakuumentgasungskammer-Kits von einer Vielzahl von Anbietern im Handel erhältlich und kostengünstig.
    2. Rüsten Sie das System mit zwei Ventilen aus, um das Vakuum zu steuern: Ein Ventil wird an die Vakuumpumpe angeschlossen und geschlossen, sobald das gewünschte Vakuum erreicht ist. Das andere Ventil verbindet sich mit der Atmosphäre und wird geöffnet, um bei Bedarf eine kontrollierte Ableitung des Vakuums zu ermöglichen.
    3. Schließen Sie eine Vakuumpumpe an das System an, um den Druck in der Kammer zu reduzieren. Positionieren Sie den Behälter auf einer Heizplatte, die Temperaturen von bis zu 250 °C erreichen kann, um ein Wärmemanagement während des Abscheidungsprozesses zu ermöglichen.
  4. Montage von Racks für die Gasphasenabscheidung
    1. Entwickeln Sie Abscheidegestelle für das Projekt gemäß den Entwürfen für zwei unten beschriebene Abscheidegestelle.
    2. Konstruieren Sie das in Abbildung 5A gezeigte Abscheidungsgestell der Generation 1 (G1), indem Sie vier vertikale Beine aus Edelstahl mit Aluminiumfolie umwickeln, um eine Kontamination zu verhindern.
    3. Verbinden Sie die vertikalen Beine oben und unten mit horizontalen Stäben, wodurch eine hohle, würfelartige Struktur entsteht, die für Stabilität sorgt.
    4. Wickeln Sie drei horizontale Kupferdrähte um die Beine, um drei Etagen oder Ebenen zum Aufhängen der Coupons zu schaffen.
    5. Stellen Sie sicher, dass das G1-Rack kompakt ist, in eine Verarbeitungskammer passt und eine einfache Montage und Demontage ermöglicht.
    6. Konstruieren Sie den Aufbau der Generation 2 (G2), der in Abbildung 5B gezeigt ist, aus Edelstahl, um Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Technische Schaltpläne für dieses System sind in der Zusatzdatei 1 enthalten. Entwerfen Sie das G2-Rack mit einer kreisförmigen Basis und einer Deckplatte, die durch vier vertikale Stangen verbunden sind, um Stabilität und Halt zu gewährleisten. Rüsten Sie die vertikalen Stangen mit verstellbaren Klemmen aus, um die Höhe zwischen Basis und Deckplatte individuell anpassen zu können. Installieren Sie eine kreisförmige Drahtgitterwanne aus Edelstahl zum Aufhängen von Coupons.
    7. Stellen Sie eine präzise Kontrolle über die Positionierung von elektrogesponnenen Coupons während des Abscheidungsprozesses sicher, um eine gleichmäßige Exposition gegenüber der Dampfphase zu fördern.

2. Abscheidung in der Dampfphase

  1. Abscheidung von FeCl3 auf PAN-Coupons
    1. Wiegen Sie die PAN-Gutscheine. Legen Sie FeCl3 (Oxidationsmittel) auf die PAN-Coupons (mindestens drei Wiederholungen pro Zustand), indem Sie sie 30 Minuten lang in wässrigen FeCl3-Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen von 1 M bis 5 M einweichen.
      VORSICHT: Seien Sie vorsichtig beim Umgang mit Eisenchlorid (wasserfrei), da es sich um ein ätzendes Reizmittel handelt, das schwere Augenschäden verursachen kann.
    2. Übertragen Sie die Coupons auf fusselarme Papiertücher, um die osmotische Trocknung zu erleichtern, und tauschen Sie die Tücher 2x aus.
    3. Wickeln Sie die Coupons in Tücher ein und legen Sie sie für 24 Stunden in einen Abzug, um die erste Phase des Trocknungsprozesses abzuschließen.
    4. Wiegen Sie die PAN-Coupons nach 24 h und notieren Sie den Gewichtsverlust. Hängen Sie die PAN-Coupons auf, indem Sie sie an die in Schritt 1.4.9 vorbereitete Metallkassette hängen.
    5. Platzieren Sie ein 500-ml-Becherglas mit trockenem Calciumchlorid-Trockenmittel auf dem Boden des Setups. Positionieren Sie den gesamten Aufbau in einer Vakuumkammer.
    6. Initiieren Sie das Vakuum, indem Sie die Pumpe einschalten und das Vakuumventil offen lassen, um eine kontinuierliche Luftabsaugung zu ermöglichen, wobei das Vakuumsystem effektiv als Exsikkator verwendet wird. Hier lag die Förderleistung bei 85 l/min. Das mit dieser Pumpe und dem Aufbau erreichte Endvakuum betrug ca. 8000 Pa.
    7. Überwachen Sie den Gewichtsverlust der Coupons in Abständen von 1 h, 2 h, 3 h, 24 h, 48 h und 72 h.
  2. PEDOT-Hinterlegung auf PAN-Coupons
    1. Haken Sie die PAN-Coupons in die Coupon-Rack-Baugruppe ein und hängen Sie sie auf.
    2. Hängen Sie die Coupons zusammen mit einem offenen Glasbehälter mit ca. 4 g Monomer (EDOT) in das Vakuumsystem ein. Stellen Sie die Temperatur der Heizplatte auf 55 °C ein.
    3. Öffnen Sie das Ventil zwischen der Kammer und der Vakuumpumpe und evakuieren Sie die Kammer, bis das gewünschte Vakuum (8000 Pa) erreicht ist. Schließen Sie dann das Ventil und lassen Sie die Kammer unter Vakuum.
    4. Lassen Sie den Gasphasenabscheidungsprozess 2 Stunden lang ablaufen. Öffnen Sie nach 2 h das Vakuumablassventil, um die PEDOT-beschichteten Coupons zu entnehmen.
  3. Waschen von Coupons
    1. Entnehmen Sie die polymerbeschichteten Coupons aus der VPD-Kammer und übertragen Sie sie in die Waschkammer.
    2. Legen Sie die Coupons über die Öffnung eines Porzellantrichters, der mit kreisförmigem Filterpapier von 5,5 cm Durchmesser und einer Porengröße von 180 μm ausgekleidet ist, wie in Abbildung 6 gezeigt.
    3. Waschen Sie jede Charge von drei Coupons einer bestimmten Konzentration zusammen, um FeCl3-Rückstände zu entfernen, indem Sie Methanol mit einer Spritzflasche über die Coupons sprühen.
    4. Stellen Sie eine gründliche Entfernung von FeCl 3-Rückständen sicher, indem Sie das Methanolvolumen mit höheren Konzentrationen erhöhen, um Oxidationsmittel- und Monomerreste effektiv aufzulösen und wegzuspülen. Verwenden Sie ca. 200 mL Methanol für Coupons, die in 1 M FeCl3 getaucht sind. Erhöhen Sie die Methanolmenge um 50 mL für jede höhere Konzentrationsstufe (z. B. 250 mL für 2 M, 300 mL für 3 M).
    5. Lassen Sie die Coupons nach dem Waschen 30 Minuten unter der Haube trocknen, trocknen Sie sie anschließend 1 h lang in einem Exsikkator mit Trockenmittel bei Raumtemperatur und bewahren Sie sie schließlich in Glasfläschchen auf.
  4. Reinigung der VPD-Kammer und der Pumpe
    1. Spülen Sie die CVD-Kammer mit Aceton, um das nicht umgesetzte Monomer aufzulösen. Entsorgen Sie die Spülung im Bioabfallbehälter.
    2. Stellen Sie die Kammer im leeren Zustand in einen Abzug und heizen Sie sie 1 h lang auf 30 °C. Tauchen Sie die Kammer 24 h lang in eine Waschmittellösung und entsorgen Sie dann das Waschmittel.
    3. Die Kammer bei leicht geöffnetem Deckel bei 200 °C 24 h lang erhitzen. Führen Sie eine weitere Runde Acetonsprühen durch und trocknen Sie die Kammer im Abzug bei 30 °C für 1 h.
    4. Wechseln Sie das Pumpenöl nach jeder Charge der Monomerabscheidung, um die Integrität des Experiments zu erhalten.

3. Charakterisierung der Proben

  1. REM-Analyse von Nanofasermatten
    1. Befestigen Sie PAN-, PAN+FeCl3- und PAN+FeCl3+PEDOT-Proben mit Kohleband an Aluminium-Stubs.
    2. Bilden Sie die Proben mit einer 5000-fachen Vergrößerung mit einer Spotgröße von 4,5 nm und einer Beschleunigungsspannung von 20 kV ab. Passen Sie die Bildgebungsparameter nach Bedarf an, um die Morphologie der Probe zu untersuchen.
    3. Verwenden Sie die Messfunktion, um Faserdurchmesser zu bestimmen. Nehmen Sie 12-15 Messungen für eine Probe vor.
    4. Führen Sie energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) gemäß den Standardarbeitsanweisungen des REM-Instruments durch. Ermitteln Sie den atomaren Prozentsatz und den Gewichtsprozentsatz der in den Proben gefundenen Elemente.
  2. Mechanische Analyse
    1. Lasergeschnittene 40 mm x 40 mm Kartonrahmen mit 20 mm x 20 mm zentrierten Fensteröffnungen.
    2. Schneiden Sie mit einer Rasierklinge 10 mm x 40 mm große Nanofaser-Probenstreifen präzise aus, wobei die 40-mm-Kante parallel zur Richtung der elektrogesponnenen Nanofaserbildung verläuft.
    3. Messen Sie die Dicke (mm) jedes Streifens mit digitalen Messschiebern an fünf Stellen, die um die Mitte der Probe herum ausgewählt werden, wo die Probe nicht mit dem Rahmen in Berührung kommt, und in etwa gleichen Abständen. Nehmen Sie den Durchschnitt als Dicke. Messen Sie das Gewicht (g) jedes Streifens.
    4. Konditionieren Sie die Probe entweder durch Trocknung (mit Calciumsulfat gefüllter Vakuumexsikkator) oder durch Einweichen in phosphatgepufferter Kochsalzlösung (10x PBS) für 72 h.
    5. Tupfen Sie PBS-getränkte Proben auf fusselfreie Gewebetücher. Überlagern Sie eine 10 mm x 40 mm große Polymerprobe auf einen 40 mm x 40 mm großen Rahmen und kleben Sie sie fest, um sie in das Zugprüfgerät einzuführen.
    6. Laden Sie den Rahmen und die Probe in das Zugprüfgerät und prüfen Sie bei Raumtemperatur und der gewünschten Dehnungsrate (0,8 s-1). Der Ausgang wird in Kraft und Verdrängung sein.
    7. Wandeln Sie die Kraft und Verschiebung in Spannungs-Dehnung um. Berechnen Sie die Dichte der Probe aus den Abmessungen und der Masse der Probe. Um die Spannung zu berechnen, dividieren Sie die vom Zugprüfgerät gesammelten Kraftdaten durch die Querschnittsfläche der Probe und multiplizieren Sie sie dann mit der Dichte der Fasermatte und der bei der Prüfung verwendeten Messlänge.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In dieser Arbeit werden elektroaktive, polymerbeschichtete PAN-Nanofasern durch Elektrospinnen hergestellt, um hochporöse und dennoch starke Materialien zu entwickeln, die als Filter, Absorptionsmittel und Photokatalysatoren für die Wasserreinigung, als Substrate für die Elektrokatalyse und als Gerüste/Matrizen für das Tissue Engineering, die Nervenregeneration, die Wirkstoffabgabe und die Biosensorik verwendet werden können. Um diese Materialien mit elektroaktiven Eigenschaften auszustat...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In dieser Arbeit werden Protokolle für das Elektrospinnen von Nanofasermatten aus Standardpolymeren, die Beschichtung dieser Nanofasern mit elektroaktiven Polymeren durch oxidative Polymerisation in der Dampfphase und die Charakterisierung der chemischen und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien beschrieben.

Das Elektrospinnen hat sich zu einem nützlichen Werkzeug für die Erzeugung von Materialien mit hoher Oberfläche für eine Reihe von Anwendungen ent...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diese Arbeit wurde teilweise von der National Science Foundation Partnership for Research and Education in Materials (DMR#2122041) und der Alfred P. Sloan Foundation (# G-2022-19553) der Texas State University/University of Colorado Boulder Sloan Undergraduate Research Program unterstützt.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
10X PBSThermo Fisher ScientificBP399-1Zur Nachahmung von Salz- und Feuchtigkeitsbedingungen in vivo
AcetonThermo ScientificA412P4Wird zum Reinigen der VPD-Kammer verwendet 
DMFEMD Milipore CorporationDX1727-6Wird als Lösungsmittel zur Herstellung von PAN-Lösungen
verwendet EDOTTCIE0741Elektroaktives Monomer zur Abscheidung von Polymer auf PAN-Coupons
ElektrospinngerätSprayBaseES30N-5WWird zur Herstellung von PAN-Nanofasern
verwendet FeCl3Thermo Scientific   12357.22zur Durchführung der Polymerisation durch chemische Oxidation von elektroaktiven Monomeren
Filterpapier (180 μ m)  VWR28310-015Wird für die Filtration verwendet 
HochspannungsnetzteilGammaES30N-5W15KV-20KV. Für dieses Experiment wurden 18,9KV verwendet.
HeizplatteCorningPC420DWird zum Erhitzen der Vakuumkammer
verwendet MethanolFischer ChemicalA412-4Wird verwendet, um FeCl2 und FeCl3 aus EAP-beschichteten PAN-Nadel
BDYale51109820G
PAN-PulverAmbeedA971305Wird zur Herstellung von PAN-Nanofasern verwendet. Durchschnittlich MW 150.000 g/mol.
PTFE-SchlauchMicrosolv Tech Corp.49210-20-Cmit 0,8 mm Innendurchmesser, Außendurchmesser 1,6 mm
KozyvacuZK220419Zur Erzeugung von Vakuum in der Kammer
SpritzeAir-Tite23122010 mL, Einwegspritze
SpritzenpumpeNew EraNE-300Durchflussmenge 0,04 mL/min
Vakuumkammer mit ManometernBAC EngX002APOXUR
WachspapierReynolds KitchenCM-3CY-06KRWird zum Abdecken von Metalltrommeln und zum Sammeln von PAN-Nanofasern
Pumpe verwendet

Referenzen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Keirouz, A., et al. The history of electrospinning: Past, present, and future developments. Adv Mater Technol. 8 (11), 2201723(2023).
  2. Shi, S., et al. Recent progress in protective membranes fabricated via electrospinning: Advanced materials, biomimetic structures, and functional applications. Adv Mater. 34 (17), (2022).
  3. Bhardwaj, N., Kundu, S. C. Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique. Biotechnol Adv. 28 (3), 325-347 (2010).
  4. Huang, Z. M., Zhang, Y. Z., Kotaki, M., Ramakrishna, S. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Compos Sci Technol. 63 (15), 2223-2253 (2003).
  5. Sill, T. J., von Recum, H. A. Electrospinning: Applications in drug delivery and tissue engineering. Biomaterials. 29 (13), 1989-2006 (2008).
  6. Cheng, Y., Zhu, W., Lu, X., Wang, C. Recent progress of electrospun nanofibrous materials for electromagnetic interference shielding. Compos Commun. 27, 100823(2021).
  7. Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W. E., Lim, T. C., Ma, Z. An introduction to electrospinning and nanofibers. , World Scientific Publishing Co. (2005).
  8. Li, D., Xia, Y. Electrospinning of nanofibers: Reinventing the wheel. Adv Mater. 16 (14), 1151-1170 (2004).
  9. Greiner, A., Wendorff, J. H. Electrospinning: A fascinating method for the preparation of ultrathin fibers. Angew Chem Int Ed. 46 (30), 5670-5703 (2007).
  10. Cheng, Y., Zhu, W., Lu, X., Wang, C. Mechanically robust, stretchable, autonomously adhesive, and environmentally tolerant triboelectric electronic skin for self-powered healthcare monitoring and tactile sensing. Nano Energy. 102, 107636(2022).
  11. Zhu, W., Cheng, Y., Wang, C., Lu, X. Fabrication of a tubular cuo/nio biomimetic nanozyme with synergistically promoted peroxidase-like performance for isoniazid sensing. Inorg Chem. 61 (41), 16239-16247 (2022).
  12. Zhu, W., Cheng, Y., Wang, C., Pinna, N., Lu, X. Transition metal sulfides meet electrospinning: Versatile synthesis, distinct properties and prospective applications. Nanoscale. 13 (20), 9112-9146 (2021).
  13. Rasmussen, S. C. Conjugated and conducting organic polymers: The first 150 years. ChemPlusChem. 85 (7), 1412-1429 (2020).
  14. Balint, R., Cassidy, N. J., Cartmell, S. H. Conductive polymers: Towards a smart biomaterial for tissue engineering. Acta Biomater. 10 (6), 2341-2353 (2014).
  15. Luo, C. J., Nangrejo, M., Edirisinghe, M. A novel method of selecting solvents for polymer electrospinning. Polymer. 51 (7), 1654-1662 (2010).
  16. Avossa, J., Herwig, G., Toncelli, C., Itel, F., Rossi, R. M. Electrospinning based on benign solvents: Current definitions, implications and strategies. Green Chem. 24 (6), 2347-2375 (2022).
  17. Ding, Y., Hou, H., Zhao, Y., Zhu, Z., Fong, H. Electrospun polyimide nanofibers and their applications. Prog Polym Sci. 61, 67-103 (2016).
  18. Ahmadi Bonakdar, M., Rodrigue, D. Electrospinning: Processes, structures, and materials. Macromol. 4 (1), 58-103 (2024).
  19. Donglin, X., Man, X., Jianzhuang, L., Xiujian, Z. Co-electrodeposition and characterization of cu (in, ga)se2 thin films. J Mater Sci. 41 (7), 1875-1878 (2006).
  20. Rahman, M. H., et al. Recent progress on electroactive polymers: Synthesis, properties and applications. Ceramics. 4 (3), 516-541 (2021).
  21. Manawi, Y. M., Ihsanullah, S. A., Al-Ansari, T., Atieh, M. A. A review of carbon nanomaterials' synthesis via the chemical vapor deposition (cvd) method. Materials. 11 (5), 822(2018).
  22. Zhu, W., Cheng, Y., Wang, C., Lu, X. Rational construction of particle-in-tube structured nio/coo/polypyrrole as efficient nanozyme for biosensing. Sens Actuators B Chem. 370, 132442(2022).
  23. Sapountzi, E., Chateaux, J. F., Lagarde, F. Combining electrospinning and vapor-phase polymerization for the production of polyacrylonitrile/ polypyrrole core-shell nanofibers and glucose biosensor application. Front Chem. 8, 1-10 (2020).
  24. Acosta, M., Santiago, M. D., Irvin, J. A. Electrospun conducting polymers: Approaches and applications. Materials. 15 (24), 8820(2022).
  25. Wei, W., et al. Advancing nanofiber research: Assessing nonsolvent contributions to structure using coaxial electrospinning. Langmuir. 39 (31), 10881-10891 (2023).
  26. Islam, M., et al. Electrospun carbon nanofibre-assisted patterning of metal oxide nanostructures. Microsyst Nanoeng. 8 (1), 71(2022).
  27. Xue, J., Wu, T., Dai, Y., Xia, Y. Electrospinning and electrospun nanofibers: Methods, materials, and applications. Chem Rev. 119 (8), 5298-5415 (2019).
  28. Wissmann, P. J., Grover, M. A. Optimization of a chemical vapor deposition process using sequential experimental design. Ind End Chem Res. 49 (12), 5694-5701 (2010).
  29. Ghafourisaleh, S., Popov, G., Leskelä, M., Putkonen, M., Ritala, M. Oxidative mld of conductive pedot thin films with edot and recl5 as precursors. ACS Omega. 6 (27), 17545-17554 (2021).
  30. Teo, W. E., Ramakrishna, S. A review on electrospinning design and nanofibre assemblies. Nanotechnology. 17 (14), R89(2006).
  31. Cao, Q., et al. Effect of sonication treatment on electrospinnability of high-viscosity pan solution and mechanical performance of microfiber mat. Iran Polym J. 23 (12), 947-953 (2014).
  32. Garrudo, F. F. F., et al. Production of blended poly(acrylonitrile): Poly(ethylenedioxythiophene):Poly(styrene sulfonate) electrospun fibers for neural applications. Polymers. 15 (13), 2760(2023).
  33. Kayser, L. V., Lipomi, D. J. Stretchable conductive polymers and composites based on pedot and pedot:Pss. Adv Mater. 31 (10), 1806133(2019).
  34. Abu Owida, H., Al-hajMoh'd B, A. L., Takrouri, M. Designing an integrated low-cost electrospinning device for nanofibrous scaffold fabrication. HardwareX. 11, e00250(2022).
  35. Agarwal, S., Greiner, A., Wendorff, J. H. Functional materials by electrospinning of polymers. Prog Polym Sci. 38 (6), 963-991 (2013).
  36. Vasita, R., Katti, D. S. Nanofibers and their applications in tissue engineering. Int J Nanomedicine. 1 (1), 15-30 (2006).
  37. Huang, Z. -M., Zhang, Y. -Z., Kotaki, M., Ramakrishna, S. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Compos Sci Technol. 63 (15), 2223-2253 (2003).
  38. Koski, A., Yim, K., Shivkumar, S. Effect of molecular weight on fibrous pva produced by electrospinning. Matter Lett. 58 (3-4), 493-497 (2004).
  39. Fong, H., Chun, I., Reneker, D. H. Beaded nanofibers formed during electrospinning. Polymer. 40 (16), 4585-4592 (1999).
  40. Liu, Y., He, J. H., Yu, J. Y., Zeng, H. M. Controlling numbers and sizes of beads in electrospun nanofibers. Polym Int. 57 (4), 632-636 (2008).
  41. Beachley, V., Wen, X. Effect of electrospinning parameters on the nanofiber diameter and length. Matter Sci Eng C. 29 (3), 663-668 (2009).
  42. Matthews, J. A., Wnek, G. E., Simpson, D. G., Bowlin, G. L. Electrospinning of collagen nanofibers. Biomacromolecules. 3 (2), 232-238 (2002).
  43. Asatekin, A., et al. Designing polymer surfaces via vapor deposition. Mater Today. 13 (5), 26-33 (2010).
  44. Butler, J. H., Joy, D. C., Bradley, G. F., Krause, S. J. Low-voltage scanning electron microscopy of polymers. Polymer. 36 (9), 1781-1790 (1995).
  45. Wu, J., Xiao, M., Quezada-Renteria, J. A., Hou, Z., Hoek, E. M. V. Sample preparation matters: Scanning electron microscopic characterization of polymeric membranes. JMS Letters. 4 (1), 100073(2024).
  46. El-Aufy, A. K. Nanofibers and nanocomposites poly(3,4-ethylene dioxythiophene)/poly(styrene sulfonate) by electrospinning. , Drexel Universit. (2004).
  47. Pires, L. S., Melo, D. S., Borges, J. P., Henriques, C. R. Pedot-coated pla fibers electrospun from solutions incorporating fe(iii)tosylate in different solvents by vapor-phase polymerization for neural regeneration. Polymers. 15 (19), 4004(2023).
  48. Budday, S., Ovaert, T. C., Holzapfel, G. A., Steinmann, P., Kuhl, E. Fifty shades of brain: A review on the mechanical testing and modeling of brain tissue. Arch Comput Methods Eng. 27 (4), 1187-1230 (2020).
  49. Pham, T. A., et al. Investigation on the microscopic/macroscopic mechanical properties of a thermally annealed nafion membrane. Polymers. 13 (22), 4018(2021).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden

Genehmigung beantragen

Schlagwörter

Elektrogesponnene NanofasernPolyacrylnitril NanofasernPEDOT Beschichtungchemische GasphasenabscheidungEisen III chlorid Oxidationsmittelelektroaktive PolymereRasterelektronenmikroskopieenergiedispersive R ntgenspektroskopieMaterialien zur Wasserreinigung

Verwandte Artikel