Article de méthode

Dépôt en phase vapeur de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) électroactif sur des nanofibres de polymère électrofilées

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DOI :

10.3791/67825

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7 mars 2025

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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

Dans cet article

Résumé

Cet article décrit une technique simple pour enrober des nanofibres de PAN électrofilées avec des polymères électroactifs par dépôt en phase vapeur. Les effets de l’oxydant FeCl₃ sur le dépôt de revêtements de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) sur le PAN ont été étudiés afin de comprendre et d’optimiser la croissance des polymères, le diamètre des fibres et la résistance mécanique globale des tapis de nanofibres.

Résumé

Cette étude étudie la préparation de nanofibres de polyacrylonitrile (PAN) par électrofilage pour créer des matériaux hautement poreux et résistants pour des applications dans la purification de l’eau, l’électrocatalyse et la biomédecine. Les tapis en nanofibres PAN uniformément blancs ont été coupés en coupons de 2 cm x 2 cm pour assurer la cohérence. Après l’électrofilage, ces nanofibres ont été recouvertes d’un polymère électroactif (EAP) par dépôt chimique en phase vapeur, le chlorure de fer (III) (FeCl3) servant d’oxydant pour la polymérisation du 3,4-éthylènedioxythiophène (EDOT) en poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT). L’étude a examiné l’impact de différentes concentrations de FeCl3 sur les dépôts de PEDOT sur les coupons PAN. Le dépôt de PEDOT a entraîné une augmentation du poids des coupons. La microscopie électronique à balayage (MEB) a révélé une augmentation du diamètre des nanofibres traitées avec une concentration croissante d’oxydant FeCl3 , bien que des concentrations plus élevées de FeCl3 aient provoqué un pontage entre les fibres, ce qui implique une diminution concomitante de l’espacement entre les fibres. La spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS) a été utilisée pour confirmer la présence de Fe, Cl et S dans les nanofibres, la teneur en soufre augmentant avec la concentration de FeCl3 utilisée, suggérant une efficacité accrue du dépôt de PEDOT avec l’augmentation de la concentration d’oxydant. Les tests mécaniques ont montré que les fibres PAN revêtues de PEDOT avaient une résistance à la traction et une ténacité améliorées à l’état hydraté par rapport aux nanofibres PAN pures. Ces résultats mettent en évidence le rôle crucial de la concentration de FeCl3 dans l’influence de la morphologie et des propriétés des composites PAN-PEDOT, améliorant ainsi leur aptitude à des applications telles que la purification de l’eau, l’ingénierie tissulaire, la biodétection, la catalyse et le stockage d’énergie.

Introduction

L’électrofilage est une technique utilisée pour la fabrication de matériaux à base de nanofibres pour des applications telles que l’ingénierie tissulaire, l’administration de médicaments, la biodétection, l’encapsulation alimentaire, les matériaux isolants, le stockage et la dissipation d’énergie, la catalyse et la filtration. La polyvalence de cette technique permet différentes dispositions de fibres et structures morphologiques, soutenant les innovations dans de multiples industries 1,2,3,4,5,6. L’électrofilage est une technique de fabrication pilotée par la tension qui produit de petites fibres à partir d’une solution polymère. La configuration de base comprend une seringue équipée d’une filière (une aiguille en acier inoxydable ou un tube d’extrusion capillaire) rempli d’une solution polymère, d’une pompe à seringue, d’une source d’alimentation haute tension et d’un collecteur, comme le montre la figure 1A. Le pousse-seringue assure un débit constant de la solution polymère. L’utilisation d’un tambour rotatif comme collecteur permet de préparer des tapis de fibres plus grands et plus uniformes ; La rotation à basse vitesse produit des fibres orientées de manière aléatoire, tandis que la rotation à grande vitesse produit des fibres orientées dans le sens de la rotation du tambour3. La vitesse nécessaire à l’alignement des fibres est spécifique à la solution du polymère et peut varier en fonction de facteurs tels que la viscosité de la solution, la tension superficielle et la concentration. Le processus commence lorsqu’un champ électrique s’établit entre la pointe de l’aiguille et le collecteur, ce qui entraîne l’accumulation de charges à la surface du liquide. Lorsque la répulsion électrostatique surmonte la tension superficielle, la solution de polymère liquide forme un cône de Taylor, conduisant à un jet de liquide chargé se déplaçant vers le collecteur. Au fur et à mesure que le solvant s’évapore, des fibres polymères solides se déposent sur le collecteur 4,5. Les nanofibres électrofilées ont été fabriquées à partir de plusieurs polymères, notamment le polyacrylonitrile (PAN), le polystyrène (PS), le poly(alcool vinylique) (PVA), la polycaprolactone (PCL), le poly(oxyde d’éthylène) (PEO), le poly(acide lactique-co-glycolique) (PLGA), le nylon, le poly(fluorure de vinylidène)/polyuréthane et la polyvinylpyrrolidone 1,7,8,9,10,11,12.

La fabrication de matériaux à base de nanofibres électrofilées à l’aide de polymères électroactifs (EAP) est particulièrement intéressante. Les EAP sont des matériaux avec des squelettes conjugués qui peuvent être commutés de manière réversible entre plusieurs états d’oxydation à l’aide de processus chimiques ou électrochimiques. Cette modification entraîne des changements dans des propriétés telles que la couleur, la conductivité, la réactivité et le volume13. Cette polyvalence rend les EAP bien adaptés à des applications telles que la conversion et le stockage d’énergie, l’électrochromie, les actionneurs, les capteurs et les dispositifs bioélectroniques. Les nanofibres EAP, plus précisément, ont des applications potentielles dans le stockage d’énergie, les capteurs, les actionneurs, les séparations, l’ingénierie nerveuse/tissulaire et la biodétection14. Les polymères électroactifs (EAP) posent plusieurs défis lors de l’électrofilage en raison de leur faible viscosité et de leur conductivité élevée, ce qui peut entraver la formation de jets stables et entraîner une instabilité du jet et la formation de billes au lieu de fibres continues. Leur sensibilité aux champs électriques peut provoquer une déformation ou une activation prématurée, entraînant une formation incohérente de fibres. De plus, les EAP souffrent généralement d’une faible solubilité, nécessitant l’utilisation de solvants spécifiquement adaptés qui affectent la viscosité de la solution, la tension superficielle et les propriétés diélectriques, ce qui complique le processus. Les propriétés mécaniques des EAP, telles que la faible élasticité et la flexibilité, peuvent entraîner la rupture du jet et l’incohérence des fibres. Dans le même temps, les paramètres du processus d’électrofilage, y compris la tension, la distance aiguille-collecteur et le débit, doivent être soigneusement optimisés, ce qui rend le processus plus complexe et moins reproductible 15,16,17,18. Bien qu’il y ait plusieurs exceptions notables, dans la plupart des cas, il n’est pas possible d’électrospinner des solutions de PAE sans incorporer des polymères supplémentaires, appelés polymères porteurs, capables d’électrofiler19.

Des méthodes alternatives ont été conçues pour la préparation de matériaux à base de nanofibres EAP. Le mélange d’EAP avec d’autres polymères ou nanoparticules donne des propriétés qui sont un hybride des deux polymères1. Bien que le mélange des EAP avec des polymères porteurs permette l’électrofilage, les propriétés souhaitables des EAP - notamment son électroactivité (capacité à changer ses propriétés en présence d’un champ électrique) et sa conductivité - peuvent être perdues lors du mélange. Au lieu de cela, le revêtement de nanofibres électrofilées non électroactives avec des EAP peut être un moyen de fournir l’électroactivité et la conductivité de l’EAP à la surface tout en ayant un polymère mécaniquement robuste au cœur des nanofibres. Les revêtements EAP peuvent être réalisés à l’aide d’électrodéposition, de revêtement par pulvérisation, de revêtement par immersion ou de dépôt en phase vapeur. Cependant, l’électrodéposition présente plusieurs inconvénients. Il nécessite des substrats conducteurs, limitant son utilisation avec des matériaux non conducteurs à moins qu’ils ne subissent un prétraitement pour améliorer la conductivité. L’obtention de revêtements uniformes sur des surfaces complexes ou poreuses peut être difficile en raison des champs électriques inégaux, ce qui entraîne des épaisseurs de dépôt variables. Le contrôle de la morphologie, de l’épaisseur et de la cristallinité du revêtement nécessite également un réglage précis de la composition de l’électrolyte et de la tension appliquée. De plus, les objets à grande échelle ou tridimensionnels peuvent ne pas recevoir de revêtements uniformes, en particulier dans les zones en retrait. Le risque de contamination par des impuretés dans l’électrolyte ou à la surface de l’électrode peut introduire des défauts, tandis que les processus énergivores compliquent encore la technique19. Le revêtement par immersion est un processus dans lequel les substrats sont immergés dans une solution de polymère EAP, puis retirés à un rythme contrôlé pour créer un film mince. Alternativement, le revêtement par immersion d’un substrat avec une solution monomère pourrait être suivi d’une étape de polymérisation secondaire. Le choix du solvant est critique ; Il doit dissoudre le polymère ou le monomère sans dissoudre les fibres sous-jacentes. Cependant, la formation de revêtements non conformes ou l’agrégation peut être un inconvénient, en particulier sur les surfaces complexes. Le revêtement par pulvérisation couvre efficacement des surfaces grandes ou complexes et peut être combiné avec d’autres méthodes pour des applications multicouches20, mais le revêtement par pulvérisation nécessite également une sélection minutieuse des solvants pour éviter de dissoudre les polymères du substrat. Le dépôt en phase vapeur, en particulier le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), évite généralement les problèmes de solubilité, produit des revêtements minces et uniformes avec une excellente adhérence, permet de couvrir des géométries complexes et constitue un processus évolutif. Le CVD est une méthode largement utilisée pour recouvrir uniformément les substrats avec divers matériaux, tels que le carbone, les oxydes métalliques et les EAP, en vaporisant les précurseurs, en les transportant vers le substrat et en permettant l’adsorption, la nucléation et la croissance dans des conditions contrôlées. Dans le cas des CVD des EAP, le processus implique généralement la vaporisation de monomères et/ou d’oxydants pour permettre la polymérisation oxydative in situ sur les fibres. Le CVD offre des avantages tels que des revêtements uniformes et conformes, une formation précise de couches minces, une évolutivité pour les applications industrielles et une polyvalence dans le dépôt de matériaux, améliorant la fonctionnalité des nanofibres pour diverses applications21. Le CVD a été utilisé par Zhu et al. pour l’enrobage de nanofibres calcinées NiCo2O4 fabriquées à l’origine avec de la polyvinylpyrrolidone avec le polypyrrole22 EAP.

Dans notre travail, des tapis en nanofibres ont été préparés à partir de PAN comme substrats pour le CVD des EAP. Le PAN est un polymère de base peu coûteux qui est insoluble dans les milieux aqueux, est stable dans l’environnement et a une résistance et un module élevés. Une étude récente de Sapountzi et al.23 a démontré le dépôt réussi de divers matériaux sur des nanofibres PAN à l’aide de techniques CVD. Plus précisément, ils ont électrofilé des solutions de PAN contenant du chlorure ferrique oxydant, puis ont exposé les fibres à des vapeurs d’acide pyrrole et/ou pyrrole-3-carboxylique pour produire des nanofibres de PAN et d’EAP pour la détection du glucose23.

Dans le CVD des EAP, la concentration d’oxydant est cruciale pour permettre la polymérisation oxydative de monomères électroactifs comme le pyrrole et l’aniline sur des nanofibres électrofilées, influençant de manière significative le taux de dépôt et les propriétés des polymères conducteurs résultants. Le chlorure ferrique (FeCl3) est couramment utilisé comme agent oxydant, formant des cations radicaux monomères qui réagissent pour créer des polymères24,25. Des concentrations plus élevées de FeCl3 augmentent les taux de polymérisation et de dépôt en raison d’un plus grand nombre d’espèces oxydantes disponibles, tandis que des concentrations plus faibles ralentissent ces processus. Sapountzi et al. ont montré que des concentrations plus élevées de FeCl3 entraînaient des taux de dépôt plus rapides et des revêtements plus uniformes de polypyrrole (PPy) sur les nanofibres PAN et vice versa23. Avec de faibles concentrations de FeCl3, la disponibilité limitée d’espèces oxydantes ralentit la formation de cations radicaux et le processus de polymérisation ultérieur25,26. D’autre part, Xue et al. ont rapporté qu’une concentration optimale de FeCl3 de 0,25 M entraînait un revêtement PPy uniforme et hautement conducteur sur les nanofibres PAN, tandis que des concentrations plus élevées entraînaient une suroxydation et une dégradation du polymère27. Wissmann et al. ont étudié le dépôt de polyaniline (PANI) sur des nanofibres de PAN et ont observé que l’augmentation de la concentration de FeCl3 de 0,1 M à 0,5 M augmentait considérablement le taux de dépôt et la conductivité du revêtement PANI, mais que l’augmentation supplémentaire de la concentration entraînait un dépôt non uniforme. Zhang et al. ont rapporté le dépôt d’un copolymère d’aniline et d’o-anisidine sur des nanofibres de PAN en utilisant différentes concentrations de FeCl3. Ils ont constaté qu’une concentration optimale de FeCl3 de 0,25 M entraînait un revêtement uniforme et hautement conducteur, tandis que des concentrations plus élevées entraînaient une suroxydation et une dégradation du polymère, comme l’indique la conductivité plus faible du matériau28. Ainsi, une sélection minutieuse des concentrations d’oxydants est essentielle pour garantir des revêtements optiques EAP.

Cette recherche démontre l’utilisation du CVD pour la préparation de nanofibres PAN recouvertes de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT). Cette recherche se concentre donc sur le processus qui consiste à électrofiler des nanofibres de PAN dans un premier temps, suivi d’abord par l’infusion de ces nanofibres de PAN avec du FeCl3 à diverses concentrations, puis par le dépôt d’EAP sur les fibres chargées de FeCl3, comme le montre la figure 1. L’étude explore l’influence de différentes concentrations de FeCl3 sur le taux de dépôt de PEDOT sur les nanofibres. Les essais mécaniques évaluent l’effet des revêtements PEDOT sur les propriétés mécaniques des matériaux, en particulier dans des environnements à forte humidité, ce qui indique la pertinence du matériau pour les applications biomédicales et de purification de l’eau. L’optimisation de la concentration de FeCl3 est essentielle pour assurer un dépôt efficace et précis des EAP, conduisant à des revêtements uniformes et à des propriétés améliorées des matériaux. L’absence d’études exhaustives examinant les effets des concentrations de FeCl3 et des caractéristiques de configuration du VPD sur le taux de dépôt et la fonctionnalité des nanofibres PAN enrobées d’EAP souligne l’importance de cette recherche. Les résultats de ce travail sont particulièrement significatifs compte tenu des différences observées dans le dépôt d’EAP à des concentrations plus faibles de FeCl3 par rapport aux études précédentes, mettant en évidence le rôle critique de la configuration du dépôt en phase vapeur (VPD).

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Protocole

1. Dispositif expérimental

  1. Électrofilage de nanofibres PAN
    1. Dissoudre 1 g de PAN dans 10 mL de DMF pour créer une solution à 10 %.
    2. Assemblez le dispositif d’électrofilage, en vous assurant que l’alimentation haute tension, la pompe à seringue et une aiguille de calibre 20 avec une pointe plate sont connectées à un collecteur mis à la terre illustré aux figures 1 et 2. Assurez-vous que l’électrospinner est utilisé dans une hotte ou connecté à des conduits de ventilation pour minimiser l’exposition aux vapeurs de solvants.
    3. Couvrez le tambour de collecte métallique, qui recevra les nanofibres polymères, avec du papier ciré pour une récupération facile des fibres et une contamination croisée minimale entre les échantillons.
    4. Remplissez la seringue avec la solution PAN et connectez-la à l’aiguille de la filière à l’aide d’un tube en polytétrafluoréthylène (PTFE) de 0,8 mm de diamètre intérieur avec des adaptateurs Luer.
    5. Réglez le débit du pousse-seringue à 0,04 mL/min. Le débit peut être ajusté selon les besoins en fonction des propriétés de la solution polymère.
    6. Appliquez une tension de 18,9 kV entre la filière et le collecteur mis à la terre, qui est réglé pour tourner à 1 200 tr/min29,30. Suivez les directives appropriées lors de l’électrofilage, car le processus implique une haute tension.
    7. Laissez le jet chargé s’initier à partir de la filière, où il se solidifie en nanofibres continues à mesure que le solvant s’évapore. Assurez-vous que la tension appliquée, le débit de la solution et la vitesse de rotation du tambour sont cohérents sur tous les lots afin d’obtenir une morphologie et un diamètre de fibre uniformes.
    8. Laissez les nanofibres PAN se déposer sur le collecteur mis à la terre recouvert de papier ciré pendant environ 4,5 h. Après cette période, déballez le papier ciré du tambour en retirant le ruban adhésif.
  2. Préparation des coupons PAN
    1. Faites sécher le tapis PAN dans un dessiccateur sous vide à température ambiante pendant 72 h pour éliminer tout solvant résiduel ou eau adsorbée pendant le traitement.
    2. Coupez les tapis de fibres séchées en coupons de 2 cm x 2 cm avec des ciseaux ou une lame de rasoir. Notez la position des coupons par rapport au sens de rotation du tambour, comme indiqué à la figure 3. Organisez les coupons en groupes de triplés, en produisant des répliques à partir de la même colonne du tapis de fibres pour assurer la cohérence.
  3. Assemblage du système de vide
    1. Assemblez le système de dépôt en phase vapeur chimique à l’aide d’un récipient en acier fermé avec un couvercle en verre équipé d’un joint en silicone pour contrôler avec précision les conditions de vide, comme illustré à la figure 4. Ces conteneurs sont disponibles dans le commerce sous forme de kits de chambre de dégazage sous vide auprès de divers fournisseurs et sont peu coûteux.
    2. Équipez le système de deux vannes pour gérer le vide : une vanne se connecte à la pompe à vide et se ferme une fois que le vide souhaité est atteint ; L’autre vanne se connecte à l’atmosphère et s’ouvre pour permettre une libération contrôlée du vide selon les besoins.
    3. Connectez une pompe à vide au système pour réduire la pression dans la chambre. Positionnez le récipient sur une plaque chauffante capable d’atteindre des températures allant jusqu’à 250 °C pour permettre une gestion thermique pendant le processus de dépôt.
  4. Ensemble de rack de dépôt en phase vapeur
    1. Développer des supports de dépôt pour le projet selon les conceptions de deux modèles de supports de dépôt décrits ci-dessous.
    2. Construisez le support de dépôt de génération 1 (G1) illustré à la figure 5A en enveloppant quatre pieds verticaux en acier inoxydable dans du papier d’aluminium pour éviter toute contamination.
    3. Reliez les pieds verticaux avec des tiges horizontales en haut et en bas, formant une structure creuse en forme de cube pour plus de stabilité.
    4. Enroulez trois fils de cuivre horizontaux autour des pieds pour créer trois niveaux ou niveaux pour accrocher les coupons.
    5. Assurez-vous que le rack G1 est compact, qu’il s’adapte à une chambre de traitement et qu’il permet un montage et un démontage faciles.
    6. Construisez la configuration de génération 2 (G2), illustrée à la figure 5B, en utilisant de l’acier inoxydable pour plus de durabilité et de résistance à la corrosion. Les schémas d’ingénierie de ce système sont fournis dans le Fichier supplémentaire 1. Concevez le rack G2 avec une base circulaire et une plaque supérieure reliées par quatre tiges verticales pour plus de stabilité et de soutien. Équipez les tiges verticales de pinces réglables pour permettre la personnalisation de la hauteur entre la base et la plaque supérieure. Installez un plateau circulaire en treillis métallique en acier inoxydable pour suspendre les coupons.
    7. Assurez un contrôle précis du positionnement des coupons électrofilés pendant le processus de dépôt afin de favoriser une exposition uniforme à la phase vapeur.

2. Dépôt en phase vapeur

  1. Dépôt de FeCl3 sur les coupons PAN
    1. Pesez les coupons PAN. Déposez du FeCl3 (oxydant) sur les coupons de PAN (au moins trois répétitions par condition) en les trempant dans des solutions aqueuses de FeCl3 de concentrations variables, allant de 1 M à 5 M, pendant 30 min.
      ATTENTION : Faites preuve de prudence lors de la manipulation du chlorure ferrique (anhydre), car il s’agit d’un irritant corrosif qui peut causer de graves lésions oculaires.
    2. Transférez les coupons sur des lingettes en papier à faible peluche pour faciliter le séchage osmotique, en remplaçant les lingettes 2x.
    3. Enveloppez les coupons dans des lingettes et placez-les à l’intérieur d’une hotte pendant 24 h pour terminer la première étape du processus de séchage.
    4. Pesez les coupons PAN après 24 h et enregistrez la perte de poids. Accrochez les coupons PAN en les accrochant au plateau de fil métallique préparé à l’étape 1.4.9.
    5. Placez un bécher de 500 ml contenant un dessiccant sec de chlorure de calcium au bas de l’installation. Placez l’ensemble de l’installation à l’intérieur d’une chambre à vide.
    6. Déclenchez le vide en allumant la pompe et en laissant la soupape de vide ouverte pour une évacuation continue de l’air, en utilisant efficacement le système de vide comme dessiccateur. Ici, le taux de pompage était de 85 L/min. Le vide final obtenu par cette pompe et cette configuration était d’environ 8000 Pa.
    7. Surveillez la perte de poids des coupons à des intervalles de 1 h, 2 h, 3 h, 24 h, 48 h et 72 h.
  2. Dépôt PEDOT sur les coupons PAN
    1. Accrochez et accrochez les coupons PAN sur l’ensemble du support de coupons.
    2. Suspendez les coupons à l’intérieur du système de vide avec un récipient en verre ouvert contenant environ 4 g de monomère (EDOT). Réglez la température de la plaque chauffante à 55 °C.
    3. Ouvrez la vanne entre la chambre et la pompe à vide et évacuez la chambre jusqu’à ce que le vide souhaité (8000 Pa) soit atteint. Ensuite, fermez la vanne en laissant la chambre sous vide.
    4. Laissez le processus de dépôt en phase vapeur se produire pendant 2 h. Après 2 h, ouvrez la soupape de décharge du vide pour récupérer les coupons revêtus de PEDOT.
  3. Lavage des coupons
    1. Retirez les coupons recouverts de polymère de la chambre VPD et transférez-les dans la chambre de lavage.
    2. Placez les coupons sur l’ouverture d’un entonnoir en porcelaine tapissé de papier filtre circulaire de 5,5 cm de diamètre et d’une taille de pores de 180 μm, comme illustré à la figure 6.
    3. Lavez chaque lot de trois coupons d’une concentration spécifique ensemble pour éliminer les résidus de FeCl3 en vaporisant du méthanol sur les coupons à l’aide d’un flacon pulvérisateur.
    4. Assurez l’élimination complète des résidus de FeCl3 en augmentant le volume de méthanol avec des concentrations plus élevées pour dissoudre et éliminer efficacement l’oxydant et le monomère résiduels. Utilisez environ 200 ml de méthanol pour les coupons trempés dans 1 M FeCl3. Augmenter la quantité de méthanol de 50 mL pour chaque niveau de concentration supérieur (p. ex., 250 mL pour 2 M, 300 mL pour 3 M).
    5. Après le lavage, laissez sécher les coupons sous le capot pendant 30 min, puis séchez-les dans un dessiccateur avec un dessiccateur à température ambiante pendant 1 h et conservez-les enfin dans des flacons en verre.
  4. Nettoyage de la chambre VPD et de la pompe
    1. Rincez la chambre CVD avec de l’acétone pour dissoudre le monomère n’ayant pas réagi. Jetez le rinçage dans le conteneur à déchets organiques.
    2. Placez la chambre dans une hotte lorsqu’elle est vide et chauffez-la à 30 °C pendant 1 h. Plongez la chambre dans une solution détergente pendant 24 h, puis jetez le détergent.
    3. Chauffer la chambre avec le couvercle légèrement ouvert à 200 °C pendant 24 h. Effectuez une nouvelle pulvérisation d’acétone et séchez la chambre dans la hotte à 30 °C pendant 1 h.
    4. Changez l’huile de la pompe après chaque lot de dépôt de monomères pour maintenir l’intégrité de l’expérience.

3. Caractérisation des échantillons

  1. Analyse MEB d’un tapis en nanofibres
    1. Fixez les échantillons PAN, PAN+FeCl3 et PAN+FeCl3+PEDOT aux talons d’aluminium à l’aide de ruban de carbone.
    2. Imagez les échantillons à un grossissement de 5000x, en utilisant une taille de spot de 4,5 nm et une tension d’accélération de 20 kV. Ajustez les paramètres d’imagerie au besoin pour étudier la morphologie de l’échantillon.
    3. Utilisez la fonction de mesure pour déterminer les diamètres des fibres. Prenez 12 à 15 mesures pour un échantillon.
    4. Effectuer une analyse par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (EDS) conformément aux procédures opérationnelles standard de l’instrument MEB. Obtenez le pourcentage atomique et le pourcentage en poids des éléments trouvés dans les échantillons.
  2. Analyse mécanique
    1. Cadres en carton de 40 mm x 40 mm découpés au laser avec ouvertures de fenêtre centrées de 20 mm x 20 mm.
    2. À l’aide d’une lame de rasoir, découpez avec précision des bandes d’échantillon de nanofibres de 10 mm x 40 mm, le bord de 40 mm étant parallèle à la direction de la formation des nanofibres électrofilées.
    3. Mesurez l’épaisseur (mm) de chaque bande à l’aide d’un pied à coulisse numérique à cinq endroits choisis autour du centre de l’échantillon où l’échantillon ne serait pas en contact avec le cadre et à peu près à égale distance l’un de l’autre. Prenez la moyenne comme l’épaisseur. Mesurez le poids (g) de chaque bande.
    4. Conditionner l’échantillon soit par dessiccation (dessiccateur sous vide rempli de sulfate de calcium), soit par trempage dans une solution saline tamponnée au phosphate (10x PBS) pendant 72 h.
    5. Tamponnez des échantillons imbibés de PBS sur des lingettes en tissu non pelucheuses. Superposez un échantillon de polymère de 10 mm x 40 mm sur un cadre de 40 mm x 40 mm et fixez-le avec du ruban adhésif pour l’insérer dans l’appareil d’essai de traction.
    6. Chargez le cadre et l’échantillon dans l’appareil d’essai de traction et testez à température ambiante et à la vitesse de déformation souhaitée (0,8 s-1). La sortie sera en vigueur et en déplacement.
    7. Convertissez la force et le déplacement en contrainte-déformation. Calculez la masse volumique de l’échantillon à partir des dimensions et de la masse de l’échantillon. Pour calculer la contrainte, divisez les données de force collectées par l’appareil d’essai de traction par la section transversale de l’échantillon, puis multipliez par la densité du tapis de fibres et la longueur de référence utilisée lors de l’essai.

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Résultats

Dans ce travail, des nanofibres PAN recouvertes de polymères électroactifs sont fabriquées par électrofilage pour développer des matériaux très poreux mais résistants qui pourraient être utilisés comme filtres, absorbants et photocatalyseurs pour la purification de l’eau, substrats pour l’électrocatalyse et échafaudages/matrices pour l’ingénierie tissulaire, la régénération nerveuse, l’administration de médicaments et la biodétection. Pour conférer à ces matériaux des propriétés électroac...

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Discussion

Dans ce travail, des protocoles d’électrofilage de tapis de nanofibres à partir de polymères de commodité, de revêtement de ces nanofibres avec des polymères électroactifs par polymérisation oxydative en phase vapeur, et de caractérisation des propriétés chimiques et mécaniques de ces matériaux sont décrits.

L’électrofilage est devenu un outil utile pour la génération de matériaux à grande surface pour une gamme d’applications allant de la biomédecine à la dur...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce travail a été soutenu en partie par le National Science Foundation Partnership for Research and Education in Materials (DMR#2122041) et la Fondation Alfred P. Sloan (# G-2022-19553) Texas State University/University of Colorado Boulder Sloan Undergraduate Research Program.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
10X PBSThermo Fisher ScientificBP399-1Utilisé pour imiter in vivo les conditions de sel et d’humidité
AcétoneThermo Scientific  ;A412P4Utilisé pour nettoyer la chambre VPD
DMFEMD Milipore CorporationDX1727-6Utilisé comme solvant pour préparer des solutions PAN
EDOTTCIE0741Monomère électroactif utilisé pour déposer le polymère sur les coupons PAN
Appareil d’électrofilageSprayBaseES30N-5WUtilisé pour produire des nanofibres PAN
FeCl3Thermo Scientific  ;   ;12357.22Utilisé pour effectuer la polymérisation par oxydation chimique des monomères électroactifs
Papier filtre (180 &mu ; m)  ; VWR28310-015Utilisé pour la filtration  ;
Alimentation haute tensionGammaES30N-5W15KV-20KV. Pour cette expérience, 18,9 KV a été utilisé.
Plaque chauffanteCorningPC420DUtilisé pour chauffer la chambre à vide
MéthanolFischer ChemicalA412-4Utilisé pour éliminer FeCl2 et FeCl3 de l’aiguille PAN recouverte d’EAP
BDYale51109820G
AmbeedA971305Utilisé pour la préparation de nanofibres PAN. MW moyen 150 000 g/mol.
Tubes en PTFEMicrosolv Tech Corp.49210-20-C0,8 mm ID, 1,6 mm OD
PompeKozyvacuZK220419Utilisé pour créer le vide à l’intérieur de la chambre
SeringueAir-Tite23122010 mL, seringue jetable
Pompe à seringueNew EraNE-300Débit 0,04 mL/min
Chambre à vide avec manomètresBAC EngX002APOXUR
Papier ciréReynolds KitchenCM-3CY-06KRUtilisé pour couvrir le tambour métallique et collecter les nanofibres PAN
poudre PAN

Références

  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).

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