מאמר שיטה

תצהיר שלב אדים של פולי אלקטרואקטיבי (3,4-ethylenedioxythiophene) על ננו-סיבים פולימריים של סחורות אלקטרוסקופיות

2.2K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/67825

⸱

7 במרץ 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

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מתאר טכניקה פשוטה לציפוי ננו-סיבי PAN אלקטרו-ספוניים בפולימרים אלקטרואקטיביים באמצעות שקיעת אדים. ההשפעות של חומר החמצון FeCl₃ על שקיעת ציפויי פולי (3,4-אתילנדיוקסיתיופן) על PAN נחקרו כדי להבין ולייעל את צמיחת הפולימרים, קוטר הסיבים והחוזק המכני הכולל של מחצלות הננו-סיבים.

תקציר

מחקר זה חוקר את הכנת ננו-סיבים פוליאקרילוניטריל (PAN) באמצעות אלקטרו-ספינינג ליצירת חומרים נקבוביים וחזקים במיוחד ליישומים בטיהור מים, אלקטרוקטליזה וביו-רפואה. מחצלות הננו-פייבר הלבנות האחידות של PAN נחתכו לקופונים בגודל 2 ס"מ על 2 ס"מ כדי להבטיח עקביות. לאחר אלקטרו-ספינינג, ננו-סיבים אלה צופו בפולימר אלקטרואקטיבי (EAP) באמצעות שקיעת אדים כימית, כאשר ברזל (III) כלוריד (FeCl3) משמש כמחמצן לפילמור 3,4-אתילנדיוקסיתיופן (EDOT) לפולי (3,4-אתילנדיוקסיתיופן) (PEDOT). המחקר בדק את ההשפעה של ריכוזים שונים של FeCl3 על שקיעת PEDOT על קופוני ה-PAN. תצהיר PEDOT הוביל לעלייה במשקל הקופון. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) חשף עליות בקוטר הננו-סיבים שטופלו בעלייה בריכוז החמצון FeCl3 , אם כי ריכוזים גבוהים יותר של FeCl3 גרמו לגישור בין סיבים, מה שמרמז על ירידה מקבילה בריווח בין הסיבים. ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן מפזרת אנרגיה (EDS) שימשה כדי לאשר את נוכחותם של Fe, Cl ו-S בננו-סיבים, כאשר תכולת הגופרית עולה עם ריכוז FeCl3 בשימוש, מה שמרמז על יעילות מוגברת של שקיעת PEDOT עם הגדלת ריכוז החמצון. בדיקות מכניות הראו כי סיבי PAN מצופים PEDOT שיפרו את חוזק המתיחה והקשיחות במצב מיובש בהשוואה לננו-סיבי PAN טהורים. תוצאות אלו מדגישות את התפקיד המכריע של ריכוז FeCl3 בהשפעה על המורפולוגיה והתכונות של חומרים מרוכבים PAN-PEDOT, ומשפרות את התאמתם ליישומים כגון טיהור מים, הנדסת רקמות, חישה ביולוגית, קטליזה ואחסון אנרגיה.

מבוא

אלקטרוספינינג היא טכניקה המשמשת לייצור חומרים מבוססי ננו-סיבים ליישומים הכוללים הנדסת רקמות, אספקת תרופות, חישה ביולוגית, אנקפסולציה של מזון, חומרי בידוד, אחסון ופיזור אנרגיה, קטליזה וסינון. הרבגוניות של טכניקה זו מאפשרת סידורי סיבים ומבנים מורפולוגיים שונים, התומכת בחידושים בתעשיות מרובות 1,2,3,4,5,6. אלקטרוספינינג היא טכניקת ייצור מונעת מתח המייצרת סיבים קטנים מתמיסת פולימר. המערך הבסיסי כולל מזרק המצויד בספינר (מחט נירוסטה או צינור שחול נימי) הממולא בתמיסת פולימר, משאבת מזרק, מקור מתח גבוה ואספן, כפי שמוצג באיור 1A. משאבת המזרק מבטיחה זרימה קבועה של תמיסת הפולימר. שימוש בתוף מסתובב כאספן מאפשר הכנת מחצלות סיבים גדולות ואחידות יותר; סיבוב במהירויות נמוכות מניב סיבים בעלי אוריינטציה אקראית, בעוד שסיבוב במהירויות גבוהות מניב סיבים המכוונים לכיוון סיבוב התוף3. המהירות הדרושה ליישור סיבים היא ספציפית לתמיסת פולימר ויכולה להשתנות בהתאם לגורמים כגון צמיגות התמיסה, מתח הפנים והריכוז. התהליך מתחיל כאשר נוצר שדה חשמלי בין קצה המחט לקולט, וכתוצאה מכך מצטברים מטענים על פני הנוזל. כאשר דחייה אלקטרוסטטית מתגברת על מתח הפנים, תמיסת הפולימר הנוזלי יוצרת חרוט טיילור, מה שמוביל לסילון של נוזל טעון הנע לעבר הקולט. כאשר הממס מתאדה, סיבי פולימר מוצקים מופקדים על הקולט 4,5. ננו-סיבים אלקטרוספונים יוצרו ממספר פולימרים כולל פוליאקרילוניטריל (PAN), פוליסטירן (PS), פולי (ויניל אלכוהול) (PVA), פוליקפרולקטון (PCL), פולי (אתילן אוקסיד) (PEO), פולי (חומצה לקטית-קו-גליקולית) (PLGA), ניילון, פולי (וינילידן פלואוריד) / פוליאוריטן ופוליוויניל פירולידון 1,7,8,9,10,11,12.

ייצור חומרים מבוססי ננו-סיבים אלקטרו-ספוניים באמצעות פולימרים אלקטרואקטיביים (EAPs) מעניין במיוחד. EAPs הם חומרים עם עמוד שדרה מצומד הניתנים להחלפה הפיכה בין מצבי חמצון מרובים באמצעות תהליכים כימיים או אלקטרוכימיים. שינוי זה מוביל לשינויים בתכונות כגון צבע, מוליכות, תגובתיות ונפח13. ורסטיליות זו הופכת את רכיבי EAP למתאימים היטב עבור יישומים כגון המרת אנרגיה ואחסון, אלקטרוכרומיקה, מפעילים, חיישנים והתקני ביו-אלקטרוניקה. לננו-סיבי EAP, ליתר דיוק, יש יישומים פוטנציאליים באחסון אנרגיה, חיישנים, מפעילים, הפרדות, הנדסת עצבים/רקמות וחישה ביולוגית14. פולימרים אלקטרואקטיביים (EAPs) מהווים מספר אתגרים במהלך אלקטרו-ספינינג בשל הצמיגות הנמוכה והמוליכות הגבוהה שלהם, מה שעלול לעכב היווצרות סילון יציבה ולהוביל לחוסר יציבות סילון ולהיווצרות חרוזים במקום סיבים רציפים. הרגישות שלהם לשדות חשמליים עלולה לגרום לעיוות או הפעלה מוקדמת, וכתוצאה מכך להיווצרות סיבים לא עקבית. בנוסף, EAPs סובלים בדרך כלל ממסיסות ירודה, המחייבת שימוש בממיסים מתאימים במיוחד המשפיעים על צמיגות התמיסה, מתח הפנים והתכונות הדיאלקטריות, מה שמסבך את התהליך. התכונות המכניות של EAPs, כגון גמישות וגמישות נמוכות, עלולות להוביל לשבירת סילון וחוסר עקביות סיבים. יחד עם זאת, הפרמטרים של תהליך האלקטרו-ספינינג, כולל מתח, מרחק קולט מחט וקצב זרימה, זקוקים לאופטימיזציה זהירה, מה שהופך את התהליך למורכב יותר ופחות ניתן לשחזור 15,16,17,18. אמנם ישנם מספר יוצאים מן הכלל בולטים, אך ברוב המקרים, לא ניתן לבצע תמיסות אלקטרוספין של EAPs ללא שילוב של פולימרים נוספים, הנקראים פולימרים נשאים, המסוגלים לאלקטרוספין19.

שיטות חלופיות פותחו להכנת חומרים מבוססי ננו-סיבים EAP. מיזוג EAPs עם פולימרים או ננו-חלקיקים אחרים מניב תכונות שהן הכלאה של שני הפולימרים1. בעוד שמיזוג EAPs עם פולימרים נשאים מאפשר אלקטרו-ספינינג, התכונות הרצויות של ה-EAP - במיוחד האלקטרוקטיביות שלו (היכולת לשנות את תכונותיו בנוכחות שדה חשמלי) והמוליכות שלו - עלולות לאבד בעת המיזוג. במקום זאת, ציפוי ננו-סיבים אלקטרואקטיביים לא אלקטרואקטיביים עם EAPs יכול להיות דרך לספק את האלקטרוקטיביות והמוליכות של ה-EAP על פני השטח תוך פולימר חזק מכנית בליבת הננו-סיבים. ניתן לבצע ציפויי EAP באמצעות אלקטרודפוזיציה, ציפוי ריסוס, ציפוי טבילה או שקיעת פאזת אדים. עם זאת, לאלקטרו-דיפוזיציה יש כמה חסרונות. הוא דורש מצעים מוליכים, מה שמגביל את השימוש בו עם חומרים לא מוליכים אלא אם כן הם עוברים טיפול מקדים כדי לשפר את המוליכות. השגת ציפויים אחידים על משטחים מורכבים או נקבוביים יכולה להיות מאתגרת עקב שדות חשמליים לא אחידים, וכתוצאה מכך עובי שקיעה משתנה. שליטה במורפולוגיה, בעובי ובגבישיות של הציפוי דורשת גם כוונון מדויק של הרכב האלקטרוליטים והמתח המופעל. בנוסף, עצמים בקנה מידה גדול או תלת מימדי עשויים שלא לקבל ציפויים אחידים, במיוחד באזורים שקועים. הסיכון לזיהום מזיהומים באלקטרוליט או על פני האלקטרודה יכול להכניס פגמים, בעוד שתהליכים עתירי אנרגיה מסבכים עוד יותר את הטכניקה19. ציפוי טבילה הוא תהליך שבו מצעים טובלים בתמיסת פולימר EAP ולאחר מכן נסוגים בקצב מבוקר ליצירת סרט דק. לחלופין, ציפוי טבילה של מצע בתמיסת מונומר יכול להיות מלווה בשלב פילמור משני. בחירת הממס היא קריטית; עליו להמיס את הפולימר או המונומר מבלי להמיס את הסיבים הבסיסיים. עם זאת, היווצרות ציפויים או צבירה לא קונפורמיים יכולה להוות חיסרון, במיוחד על משטחים מורכבים. ציפוי ריסוס מכסה ביעילות משטחים גדולים או מורכבים וניתן לשלב אותו עם שיטות אחרות ליישומים רב-שכבתיים20, אך ציפוי ריסוס דורש גם בחירת ממס קפדנית כדי למנוע המסת פולימרי המצע. שקיעת פאזת אדים, במיוחד שקיעת אדים כימית (CVD), בדרך כלל מונעת בעיות מסיסות, מייצרת ציפויים אחידים ודקים עם הידבקות מצוינת, מאפשרת כיסוי של גיאומטריות מורכבות והיא תהליך ניתן להרחבה. CVD היא שיטה בשימוש נרחב לציפוי אחיד של מצעים בחומרים שונים, כגון פחמן, תחמוצות מתכת ו-EAPs, על ידי אידוי קודמים, הובלתם למצע ומתן אפשרות לספיגה, גרעין וצמיחה בתנאים מבוקרים. במקרה של CVD של EAPs, התהליך כולל בדרך כלל אידוי מונומרים ו/או מחמצנים כדי לאפשר פילמור חמצוני באתרו על הסיבים. CVD מציע יתרונות כמו ציפויים אחידים וקונפורמיים, היווצרות סרט דק מדויק, מדרגיות ליישומים תעשייתיים ורבגוניות בתצהיר חומרים, המשפרים את הפונקציונליות של ננו-סיבים ליישומים מגוונים21. CVD שימש את Zhu et al. לציפוי של ננו-סיבים NiCo2O4 מסויידים שיוצרו במקור עם פוליוויניל פירולידון עם פוליפירול EAP22.

בעבודתנו הוכנו מחצלות ננו-סיבים מ-PAN כמצעים ל-CVD של EAPs. PAN הוא פולימר סחורה זול שאינו מסיס במדיה מימית, יציב מבחינה סביבתית ובעל חוזק ומודול גבוהים. מחקר שנערך לאחרונה על ידי Sapountzi et al.23 הוכיח שקיעה מוצלחת של חומרים שונים על ננו-סיבי PAN באמצעות טכניקות CVD. באופן ספציפי, הם יצרו תמיסות של PAN המכילות את המחמצן כלוריד ברזל ולאחר מכן חשפו את הסיבים לאדי פירול ו/או חומצה קרבוקסילית פירול-3 כדי לייצר ננו-סיבי מעטפת ליבה של PAN ו-EAPs לחישת גלוקוז23.

ב-CVD של EAPs, ריכוז המחמצן הוא חיוני כדי לאפשר פילמור חמצוני של מונומרים אלקטרואקטיביים כמו פירול ואנילין על ננו-סיבים אלקטרו-ספוניים, מה שמשפיע באופן משמעותי על קצב התצהיר והתכונות של הפולימרים המוליכים המתקבלים. כלוריד ברזל (FeCl3) משמש בדרך כלל כחומר מחמצן, ויוצר קטיונים רדיקליים מונומרים המגיבים ליצירת פולימרים24,25. ריכוזים גבוהים יותר של FeCl3 מגדילים את שיעורי הפילמור והשיקוע עקב מינים מחמצנים זמינים יותר, בעוד שריכוזים נמוכים יותר מאטים תהליכים אלה. Sapountzi et al. הראו כי ריכוזים גבוהים יותר של FeCl3 הביאו לשיעורי שקיעה מהירים יותר וציפויים אחידים יותר של פוליפירול (PPy) על ננו-סיבי PAN ולהיפך23. עם ריכוזי FeCl3 נמוכים, הזמינות המוגבלת של מינים מחמצנים מאטה את היווצרותם של קטיונים רדיקליים ואת תהליך הפילמור שלאחר מכן25,26. מצד שני, Xue et al. דיווחו כי ריכוז FeCl3 אופטימלי של 0.25 M הביא לציפוי PPy אחיד ומוליך מאוד על ננו-סיבי PAN, בעוד שריכוזים גבוהים יותר הובילו לחמצון יתר ופירוק של הפולימר27. ויסמן ועמיתיו חקרו את שקיעת הפוליאנילין (PANI) על ננו-סיבי PAN וראו כי הגדלת ריכוז FeCl3 מ-0.1 M ל-0.5 M הגדילה משמעותית את קצב השיקוע והמוליכות של ציפוי PANI, אך הגדלה נוספת של הריכוז הביאה לתצהיר לא אחיד. Zhang et al. דיווחו על שקיעה של קופולימר של אנילין ו-o-anisidine על ננו-סיבי PAN באמצעות ריכוזים שונים של FeCl3. הם מצאו כי ריכוז FeCl3 אופטימלי של 0.25 M הביא לציפוי אחיד ומוליך מאוד, בעוד שריכוזים גבוהים יותר הובילו לחמצון יתר ופירוק של הפולימר, כפי שזוהה על ידי המוליכות הנמוכה יותר של החומר28. לפיכך, בחירה קפדנית של ריכוזי חמצון היא קריטית כדי להבטיח ציפויי EAP אופטיים.

מחקר זה מדגים את השימוש ב-CVD להכנת ננו-סיבי PAN מצופים פולי (3,4-אתילנדיוקסיתיופן (PEDOT). מחקר זה מתמקד אפוא בתהליך הכולל אלקטרו-ספינינג של ננו-סיבי PAN בתחילה, ולאחר מכן תחילה החדרת ננו-סיבי PAN אלה עם FeCl3 בריכוזים שונים ולאחר מכן על ידי שקיעת EAPs על סיבי FeCl3, כפי שמוצג באיור 1. המחקר בוחן את ההשפעה של ריכוזים שונים של FeCl3 על קצב השיקוע של PEDOT על הננו-סיבים. בדיקות מכניות מעריכות את ההשפעה של ציפויי PEDOT על התכונות המכניות של החומרים, במיוחד בסביבות לחות גבוהה המעידות על רלוונטיות החומר ליישומים ביו-רפואיים וטיהור מים. האופטימיזציה של ריכוז FeCl3 היא חיונית להבטחת שקיעה יעילה ומדויקת של EAPs, מה שמוביל לציפויים אחידים ותכונות חומר משופרות. היעדר מחקרים מקיפים הבוחנים את ההשפעות של ריכוזי FeCl3 ומאפייני הגדרת VPD על קצב התצהיר והפונקציונליות של ננו-סיבי PAN מצופים EAP מדגיש את חשיבות מחקר זה. תוצאות עבודה זו משמעותיות במיוחד בהתחשב בהבדלים שנצפו בתצהיר EAP בריכוזים נמוכים יותר של FeCl3 בהשוואה למחקרים קודמים, מה שמדגיש את התפקיד הקריטי של הגדרת שקיעת פאזת האדים (VPD).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. מערך ניסוי

  1. אלקטרו-ספינינג של ננו-סיבי PAN
    1. ממיסים 1 גרם PAN ב-10 מ"ל DMF ליצירת תמיסה של 10%.
    2. הרכיבו את מערך האלקטרו-ספינינג, וודאו כי ספק הכוח במתח גבוה, משאבת המזרק ומחט בגודל 20 עם קצה שטוח מחוברים לקולט מוארק המוצג באיור 1 ובאיור 2. ודא שהאלקטרוספינר משמש במכסה אדים או מחובר לתעלת אוורור כדי למזער את החשיפה לאדי ממס.
    3. מכסים את תוף איסוף המתכת, שיקבל את הננו-סיבי הפולימר, בנייר שעווה לאחזור סיבים קל וזיהום צולב מינימלי בין הדגימות.
    4. מלאו את המזרק בתמיסת ה-PAN וחברו אותו למחט הספינר באמצעות צינור פוליטטרפלואוראתילן (PTFE) ID 0.8 מ"מ עם מתאמי Luer.
    5. הגדר את קצב הזרימה של משאבת המזרק ל-0.04 מ"ל/דקה. ניתן לכוונן את קצב הזרימה לפי הצורך בהתאם לתכונות תמיסת הפולימר.
    6. הפעל מתח של 18.9 קילו וולט בין הספינר לקולט המקורקע, שמוגדר להסתובב ב -1,200 סל"ד 29,30. פעל לפי ההנחיות המתאימות במהלך אלקטרו-ספינינג מכיוון שהתהליך כרוך במתח גבוה.
    7. אפשר לסילון הטעון להתחיל מהסביבון, שם הוא מתמצק לננו-סיבים רציפים כאשר הממס מתאדה. ודא שהמתח המופעל, קצב זרימת התמיסה ומהירות סיבוב התוף עקביים בכל הקבוצות כדי להשיג מורפולוגיה וקוטר סיבים אחידים.
    8. אפשר לננו-סיבי PAN להפקיד על הקולט המוארק המצופה בנייר שעווה למשך כ-4.5 שעות. לאחר פרק זמן זה, פרקו את נייר השעווה מהתוף על ידי הסרת הסרט.
  2. הכנת קופונים של PAN
    1. יבש את שטיח גיליון ה-PAN במייבש ואקום בטמפרטורת החדר למשך 72 שעות כדי להסיר שאריות ממס או מים שנספגו במהלך העיבוד.
    2. חותכים את מחצלות הסיבים המיובשות לקופונים בגודל 2 ס"מ על 2 ס"מ בעזרת מספריים או סכין גילוח. שימו לב למיקומי הקופונים ביחס לכיוון סיבוב התוף, כפי שמוצג באיור 3. ארגן קופונים לקבוצות של משולשים, ויצר שכפולים מאותה עמודה של מחצלת הסיבים כדי להבטיח עקביות.
  3. מכלול מערכת ואקום
    1. הרכיבו את מערכת שקיעת פאזת האדים הכימית באמצעות מיכל פלדה סגור עם מכסה זכוכית המצויד באטם סיליקון כדי לשלוט במדויק בתנאי הוואקום, כפי שמוצג באיור 4. מיכלים אלו זמינים מסחרית כערכות תא להסרת גז בוואקום ממגוון ספקים והם לא יקרים.
    2. ציידו את המערכת בשני שסתומים לניהול הוואקום: שסתום אחד מתחבר למשאבת הוואקום ונסגר ברגע שמגיעים לוואקום הרצוי; השסתום השני מתחבר לאטמוספירה ונפתח כדי לאפשר שחרור מבוקר של הוואקום לפי הצורך.
    3. חבר משאבת ואקום למערכת כדי להפחית את הלחץ בתא. מקם את המיכל על פלטה חמה המסוגלת להגיע לטמפרטורות של עד 250 מעלות צלזיוס כדי לאפשר ניהול תרמי במהלך תהליך השיקוע.
  4. מכלול מתלה לתצהיר שלב אדים
    1. פתח מדפי תצהיר לפרויקט בהתאם לעיצובים עבור שני עיצובי מתלים לתצהיר המתוארים להלן.
    2. בנה את מתלה התצהיר מדור 1 (G1) המוצג באיור 5A על ידי עטיפת ארבע רגליים אנכיות עשויות נירוסטה בנייר אלומיניום כדי למנוע זיהום.
    3. חבר את הרגליים האנכיות עם מוטות אופקיים בחלק העליון והתחתון, ויוצר מבנה חלול דמוי קובייה ליציבות.
    4. סובב שלושה חוטי נחושת אופקיים סביב הרגליים כדי ליצור שלוש שכבות או רמות לתליית הקופונים.
    5. ודא שמתלה G1 קומפקטי, מתאים לתא עיבוד ומאפשר הרכבה ופירוק קלים.
    6. בנה את מערך דור 2 (G2), המוצג באיור 5B, באמצעות נירוסטה לעמידות ועמידות בפני קורוזיה. סכמות הנדסיות עבור מערכת זו מסופקות בקובץ משלים 1. עצב את ארון התקשורת G2 עם בסיס עגול ולוח עליון המחוברים באמצעות ארבעה מוטות אנכיים ליציבות ותמיכה. ציידו את המוטות האנכיים במהדקים מתכווננים כדי לאפשר התאמה אישית של הגובה בין הבסיס לצלחת העליונה. התקן מגש רשת תיל עגול עשוי נירוסטה לתליית קופונים.
    7. הקפידו על שליטה מדויקת על המיקום של קופונים חשמליים במהלך תהליך התצהיר כדי לקדם חשיפה אחידה לשלב האדים.

2. תצהיר שלב אדים

  1. תצהיר של FeCl3 בקופונים של PAN
    1. שקלו את קופוני ה-PAN. הפקידו FeCl3 (מחמצן) על קופוני ה-PAN (לפחות שלושה שכפולים לכל מצב) על ידי השרייתם בתמיסות FeCl3 מימיות בריכוזים משתנים, הנעים בין 1 M ל-5 M, למשך 30 דקות.
      זהירות: יש לנקוט משנה זהירות בעת טיפול בברזל כלוריד (נטול מים), מכיוון שמדובר בגירוי מאכל שעלול לגרום לנזק חמור לעיניים.
    2. העבירו את הקופונים על מגבוני נייר בעלי מוך נמוך כדי להקל על הייבוש האוסמוטי, והחליפו את המגבונים פי 2.
    3. עטפו את הקופונים במגבונים והניחו אותם בתוך מכסה אדים למשך 24 שעות כדי להשלים את השלב הראשון של תהליך הייבוש.
    4. שקלו את קופוני ה-PAN לאחר 24 שעות ורשמו את הירידה במשקל. תלו את קופוני ה-PAN על ידי חיבורם למגש חוט המתכת שהוכן בשלב 1.4.9.
    5. הנח של 500 מ"ל המכילה חומר ייבוש יבש של סידן כלורי בתחתית ההתקנה. מקם את כל ההתקנה בתוך תא ואקום.
    6. הפעל את הוואקום על ידי הפעלת המשאבה והשארת שסתום הוואקום פתוח להסרת אוויר רציפה, תוך שימוש יעיל במערכת הוואקום כחומר ייבוש. כאן, קצב השאיבה היה 85 ליטר לדקה. הוואקום הסופי שהושג על ידי משאבה והתקנה זו היה כ-8000 אבא.
    7. עקוב אחר הירידה במשקל של הקופונים במרווחים של 1 שעות, 2 שעות, 3 שעות, 24 שעות, 48 שעות ו-72 שעות.
  2. תצהיר PEDOT על קופונים של PAN
    1. חבר ותלה את קופוני ה-PAN על מכלול מתלה הקופונים.
    2. השעו את הקופונים בתוך מערכת הוואקום יחד עם מיכל זכוכית פתוח המכיל כ-4 גרם מהמונומר (EDOT). כוונן את טמפרטורת הפלטה החמה ל-55 מעלות צלזיוס.
    3. פתח את השסתום בין החדר למשאבת הוואקום ופנה את החדר עד להשגת הוואקום הרצוי (8000 Pa). לאחר מכן, סגור את השסתום והשאיר את החדר בוואקום.
    4. אפשר לתהליך שקיעת האדים להתרחש למשך שעתיים. לאחר שעתיים, פתח את שסתום שחרור הוואקום כדי לאחזר את הקופונים המצופים PEDOT.
  3. שטיפת קופונים
    1. הסר את הקופונים המצופים בפולימר מתא ה- VPD והעביר אותם לתא הכביסה.
    2. הניחו את הקופונים מעל פתח משפך חרסינה מרופד בנייר סינון עגול בקוטר 5.5 ס"מ וגודל נקבוביות של 180 מיקרומטר, כפי שמוצג באיור 6.
    3. שטפו כל אצווה של שלושה קופונים בריכוז מסוים יחד כדי להסיר שאריות FeCl3 על ידי ריסוס מתנול על הקופונים באמצעות בקבוק השפריץ.
    4. הקפידו על הסרה יסודית של שאריות FeCl3 על ידי הגדלת נפח המתנול עם ריכוזים גבוהים יותר כדי להמיס ולשטוף ביעילות שאריות מחמצן ומונומר. השתמש בכ-200 מ"ל מתנול עבור קופונים טבולים ב-1 M FeCl3. הגדל את כמות המתנול ב-50 מ"ל עבור כל רמת ריכוז גבוהה יותר (למשל, 250 מ"ל עבור 2 M, 300 מ"ל עבור 3 M).
    5. לאחר הכביסה, השאירו את הקופונים לייבוש מתחת למכסה המנוע למשך 30 דקות ולאחר מכן ייבוש בחומר ייבוש עם חומר ייבוש בטמפרטורת החדר למשך שעה ולבסוף שמרו אותם בבקבוקוני זכוכית.
  4. ניקוי תא ה- VPD והמשאבה
    1. שטפו את תא ה-CVD באצטון כדי להמיס את המונומר שלא הגיב. השלך את השטיפה למיכל הפסולת האורגנית.
    2. הנח את התא במכסה אדים כשהוא ריק וחמם אותו בחום של 30 מעלות צלזיוס למשך שעה. טבלו את החדר בתמיסת חומר ניקוי למשך 24 שעות ולאחר מכן השליכו את חומר הניקוי.
    3. מחממים את החדר כשהמכסה פתוח מעט ב-200 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות. בצע סיבוב נוסף של ריסוס אצטון וייבש את התא במכסה האדים בטמפרטורה של 30 מעלות צלזיוס למשך שעה.
    4. החלף את שמן המשאבה לאחר כל אצווה של תצהיר מונומר כדי לשמור על שלמות הניסוי.

3. אפיון דוגמאות

  1. ניתוח SEM של מחצלת ננו-סיבים
    1. חבר דגימות PAN, PAN+FeCl3 ו-PAN+FeCl3+PEDOT לדפי אלומיניום באמצעות סרט פחמן.
    2. צלמו את הדגימות בהגדלה של פי 5000, תוך שימוש בגודל נקודה של 4.5 ננומטר ומתח מאיץ של 20 קילו וולט. התאם את פרמטרי ההדמיה לפי הצורך כדי לחקור את המורפולוגיה של הדגימה.
    3. השתמש בפונקציית המדידה כדי לקבוע את קוטר הסיבים. בצע 12-15 מדידות לדגימה.
    4. בצע ניתוח ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן מפזרות אנרגיה (EDS) על פי נהלי ההפעלה הסטנדרטיים של מכשיר ה-SEM. השג את האחוז האטומי ואחוז המשקל של היסודות שנמצאו בדגימות.
  2. ניתוח מכני
    1. חיתוך לייזר של מסגרות קרטון בגודל 40 מ"מ על 40 מ"מ עם פתחי חלונות מרוכזים בגודל 20 מ"מ על 20 מ"מ.
    2. בעזרת סכין גילוח, חתכו במדויק רצועות דגימת ננו-סיבים בגודל 10 מ"מ על 40 מ"מ כאשר הקצה של 40 מ"מ מקביל לכיוון היווצרות ננו-סיבים חשמליים.
    3. מדוד את העובי (מ"מ) של כל רצועה באמצעות מחוגה דיגיטלית בחמישה מיקומים שנבחרו סביב מרכז הדגימה שבהם הדגימה לא תהיה במגע עם המסגרת ובמרחק שווה זה מזה. קח את הממוצע כעובי. מדוד את המשקל (גרם) של כל רצועה.
    4. התנה את הדגימה על ידי ייבוש (מייבש ואקום מלא בסידן גופרתי) או השרייה במי מלח עם חוצץ פוספט (10x PBS) למשך 72 שעות.
    5. טפחו דגימות ספוגות PBS על מגבוני טישו נטולי מוך. שכב דגימת פולימר בגודל 10 מ"מ על 40 מ"מ על מסגרת של 40 מ"מ על 40 מ"מ והדבק אותה להכנסה לבודק המתיחה.
    6. טען את המסגרת והדגימה לתוך בודק המתיחה ובדוק בטמפרטורת החדר ובקצב המתח הרצוי (0.8 שניות-1). הפלט יהיה בתוקף ובתזוזה.
    7. המר את הכוח והתזוזה למתח-מתח. חשב את צפיפות הדגימה מממדי הדגימה והמסה. כדי לחשב מתח, חלקו את נתוני הכוח שנאספו על ידי בודק המתיחה בשטח החתך של הדגימה, ולאחר מכן הכפילו הן בצפיפות מחצלת הסיבים והן באורך המד המשמש בזמן הבדיקה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

בעבודה זו, ננו-סיבי PAN מצופים פולימר אלקטרואקטיבי מיוצרים על ידי אלקטרו-ספינינג כדי לפתח חומרים נקבוביים מאוד אך חזקים שיכולים לשמש כמסננים, סופגים ופוטו-קטליזטורים לטיהור מים, מצעים לאלקטרוקטליזה ופיגומים/מטריצות להנדסת רקמות, התחדשות עצבים, אספקת תרופות וביו-חישה. כדי לספק לחומרים אלה תכונות אלקטרואקטיביות, ננו-סיבי PAN מצופים ב-EAP PEDOT על ידי שקיעת אדים כימית.

היווצרות הקופונים החלה על ידי אלקטרו-ספינינג של תמיסות PAN, וכת...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

בעבודה זו מתוארים פרוטוקולים לאלקטרוספינינג של מחצלות ננו-סיבים מפולימרים סחורות, ציפוי ננו-סיבים אלה בפולימרים אלקטרואקטיביים על ידי פילמור חמצוני בשלב אדים, ואפיון התכונות הכימיות והמכניות של חומרים אלה.

אלקטרוספינינג הפך לכלי שימושי ליצירת חומרים בעלי שטח פנים גבוה למגוון יישומים מביו-רפואה ועד קיימות ואלקטרוניקה 1,2. בהתחשב במתח הגבוה הנדרש לאלקטרוספינינג, מומלץ לרכוש ממערכת מיוחדת של מותג בעל מוני...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי השותפות של הקרן הלאומית למדע למחקר וחינוך בחומרים (DMR#2122041) וקרן אלפרד פ. סלואן (# G-2022-19553) אוניברסיטת טקסס סטייט/אוניברסיטת קולורדו בולדר סלואן לתואר ראשון.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
10X PBSThermo Fisher ScientificBP399-1משמש לחיקוי תנאי מלח ולחות in vivo
AcetoneThermo Scientific A412P4משמש לניקוי תא ה-VPD 
DMFEMD Milipore CorporationDX1727-6משמש כממס להכנת פתרונות PAN
EDOTTCIE0741מונומר אלקטרואקטיבי המשמש להפקדת פולימר על קופונים PAN
מכשיר אלקטרו-ספינינגSprayBaseES30N-5Wמשמש לייצור ננו-סיבי PAN
FeCl3Thermo Scientific   12357.22משמש לביצוע פילמור באמצעות חמצון כימי של מונומרים אלקטרואקטיביים
נייר סינון (180 μ m)  VWR28310-015משמש לסינון 
ספק כוח מתח גבוהגמאES30N-5W15KV-20KV. לניסוי זה נעשה שימוש ב-18.9KV.
פלטה חמהCorningPC420Dמשמש לחימום תא ואקום
מתנולפישר כימיקלA412-4משמש להסרת FeCl2 ו-FeCl3 מ-PAN Needle מצופה EAP
BDYale511098אבקת PAN 20G
AmbeedA971305משמש להכנת ננו-סיבי PAN. MW ממוצע 150,000 גרם/מול.
צינורות PTFEMicrosolv Tech Corp.49210-20-C0.8 מ"מ ID, 1.6 מ"מ
משאבתKozyvacuZK220419 משמש ליצירת ואקום בתוך החדר
מזרקAir-Tite23122010 מ"ל, משאבת מזרק חד פעמית
עידןחדשNE-300קצב זרימה 0.04 מ"ל לדקה
תא ואקום עם מדדיםBAC EngX002APOXUR
נייר שעווהReynolds KitchenCM-3CY-06KRמשמש לכיסוי תוף מתכת ואיסוף ננו-סיבים PAN
OD

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

PEDOTFerric Chloride

מאמרים קשורים