Articolo metodologico

Deposizione in fase vapore di poli(3,4-etilendiossitiofene) elettroattivo su nanofibre polimeriche elettrofilate

DOI:

10.3791/67825

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7 marzo 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 questo articolo

Sommario

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

Questo articolo descrive una semplice tecnica per rivestire nanofibre PAN elettrofilate con polimeri elettroattivi utilizzando la deposizione da vapore. Gli effetti dell'ossidante FeCl₃ sulla deposizione di rivestimenti in poli(3,4-etilendiossitiofene) sul PAN sono stati studiati per comprendere e ottimizzare la crescita del polimero, il diametro delle fibre e la resistenza meccanica complessiva dei tappetini in nanofibra.

Abstract

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Questo studio indaga la preparazione di nanofibre di poliacrilonitrile (PAN) attraverso l'elettrofilatura per creare materiali altamente porosi e resistenti per applicazioni nella purificazione dell'acqua, nell'elettrocatalisi e nella biomedicina. I tappetini in nanofibra PAN uniformemente bianchi sono stati tagliati in coupon da 2 cm x 2 cm per garantire la coerenza. Dopo l'elettrofilatura, queste nanofibre sono state rivestite con un polimero elettroattivo (EAP) utilizzando la deposizione chimica da vapore, con il cloruro di ferro (III) (FeCl3) che funge da ossidante per la polimerizzazione del 3,4-etilendiossiofene (EDOT) in poli(3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT). Lo studio ha esaminato l'impatto di diverse concentrazioni di FeCl3 sulla deposizione di PEDOT sui coupon PAN. La deposizione del PEDOT ha portato a un aumento del peso della cedola. La microscopia elettronica a scansione (SEM) ha rivelato aumenti del diametro delle nanofibre trattate con l'aumento della concentrazione di ossidante FeCl3 , sebbene concentrazioni più elevate di FeCl3 abbiano causato un ponte tra le fibre, implicando una concomitante diminuzione della spaziatura tra le fibre. La spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) è stata utilizzata per confermare la presenza di Fe, Cl e S nelle nanofibre, con il contenuto di zolfo che aumenta con la concentrazione di FeCl3 utilizzata, suggerendo una maggiore efficienza di deposizione di PEDOT con l'aumento della concentrazione di ossidante. I test meccanici hanno dimostrato che le fibre PAN rivestite di PEDOT avevano migliorato la resistenza alla trazione e la tenacità allo stato idratato rispetto alle nanofibre PAN pure. Questi risultati evidenziano il ruolo cruciale della concentrazione di FeCl3 nell'influenzare la morfologia e le proprietà dei compositi PAN-PEDOT, migliorandone l'idoneità per applicazioni quali la purificazione dell'acqua, l'ingegneria tissutale, il biorilevamento, la catalisi e l'accumulo di energia.

Introduzione

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L'elettrofilatura è una tecnica utilizzata per la fabbricazione di materiali a base di nanofibre per applicazioni quali l'ingegneria tissutale, la somministrazione di farmaci, il biorilevamento, l'incapsulamento alimentare, i materiali isolanti, l'accumulo e la dissipazione dell'energia, la catalisi e la filtrazione. La versatilità di questa tecnica consente diverse disposizioni delle fibre e strutture morfologiche, supportando le innovazioni in molteplici settori 1,2,3,4,5,6. L'elettrofilatura è una tecnica di fabbricazione guidata dalla tensione che produce piccole fibre da una soluzione polimerica. La configurazione di base include una siringa dotata di una filiera (un ago in acciaio inossidabile o un tubo di estrusione capillare) riempita con una soluzione polimerica, una pompa a siringa, una fonte di alimentazione ad alta tensione e un collettore, come mostrato nella Figura 1A. La pompa a siringa garantisce un flusso costante della soluzione polimerica. L'utilizzo di un tamburo rotante come collettore consente la preparazione di stuoie di fibre più grandi e uniformi; La rotazione a basse velocità produce fibre orientate in modo casuale, mentre la rotazione ad alte velocità produce fibre orientate nella direzione di rotazione del tamburo3. La velocità necessaria per l'allineamento delle fibre è specifica della soluzione polimerica e può variare a seconda di fattori quali la viscosità della soluzione, la tensione superficiale e la concentrazione. Il processo inizia quando si stabilisce un campo elettrico tra la punta dell'ago e il collettore, con conseguente accumulo di cariche sulla superficie del liquido. Quando la repulsione elettrostatica supera la tensione superficiale, la soluzione polimerica liquida forma un cono di Taylor, che porta a un getto di liquido carico che si muove verso il collettore. Quando il solvente evapora, le fibre polimeriche solide si depositano sul collettore 4,5. Le nanofibre elettrofilate sono state realizzate con diversi polimeri tra cui poliacrilonitrile (PAN), polistirene (PS), poli(alcol vinilico) (PVA), policaprolattone (PCL), poli(ossido di etilene) (PEO), acido poli(lattico-co-glicolico) (PLGA), nylon, poli(fluoruro di vinilidene)/poliuretano e polivinilpirrolidone 1,7,8,9,10,11,12.

Di particolare interesse è la fabbricazione di materiali a base di nanofibre elettrofilate utilizzando polimeri elettroattivi (EAP). Gli EAP sono materiali con dorsali coniugate che possono essere commutati in modo reversibile tra più stati di ossidazione utilizzando processi chimici o elettrochimici. Questa modifica porta a cambiamenti in proprietà come colore, conducibilità, reattività e volume13. Questa versatilità rende gli EAP particolarmente adatti per applicazioni quali la conversione e l'accumulo di energia, l'elettrocromica, gli attuatori, i sensori e i dispositivi bioelettronici. Le nanofibre EAP, più specificamente, hanno potenziali applicazioni nell'accumulo di energia, nei sensori, negli attuatori, nelle separazioni, nell'ingegneria nervosa/tissutale e nel biorilevamento14. I polimeri elettroattivi (EAP) pongono diverse sfide durante l'elettrofilatura a causa della loro bassa viscosità e dell'elevata conduttività che possono ostacolare la formazione stabile del getto e portare all'instabilità del getto e alla formazione di cordoni invece di fibre continue. La loro sensibilità ai campi elettrici può causare deformazioni o attivazioni premature, con conseguente formazione di fibre incoerenti. Inoltre, gli EAP in genere soffrono di scarsa solubilità, che richiede l'uso di solventi specificamente adatti che influenzano la viscosità della soluzione, la tensione superficiale e le proprietà dielettriche, complicando il processo. Le proprietà meccaniche degli EAP, come la bassa elasticità e flessibilità, possono portare alla rottura del getto e all'incoerenza delle fibre. Allo stesso tempo, i parametri del processo di elettrofilatura, tra cui tensione, distanza ago-collettore e portata, necessitano di un'attenta ottimizzazione, rendendo il processo più complesso e meno riproducibile 15,16,17,18. Sebbene esistano diverse eccezioni degne di nota, nella maggior parte dei casi non è possibile eseguire l'elettrospin di soluzioni di EAP senza l'incorporazione di polimeri aggiuntivi, chiamati polimeri vettore, che sono in grado di eseguire l'elettrofilatura19.

Sono stati ideati metodi alternativi per la preparazione di materiali EAP a base di nanofibre. La miscelazione di EAP con altri polimeri o nanoparticelle produce proprietà che sono un ibrido dei due polimeri1. Sebbene la miscelazione di EAP con polimeri vettore consenta l'elettrofilatura, le proprietà desiderabili dell'EAP, in particolare la sua elettroattività (capacità di modificare le sue proprietà in presenza di un campo elettrico) e la sua conduttività, possono essere perse quando miscelate. Invece, il rivestimento di nanofibre elettrofilate non elettroattive con EAP può essere un modo per fornire l'elettroattività e la conduttività dell'EAP in superficie, pur avendo un polimero meccanicamente robusto al centro delle nanofibre. I rivestimenti EAP possono essere realizzati utilizzando l'elettrodeposizione, il rivestimento a spruzzo, il rivestimento a immersione o la deposizione in fase vapore. Tuttavia, l'elettrodeposizione presenta diversi inconvenienti. Richiede substrati conduttivi, limitandone l'uso con materiali non conduttivi a meno che non vengano sottoposti a pretrattamento per migliorare la conduttività. Ottenere rivestimenti uniformi su superfici complesse o porose può essere difficile a causa di campi elettrici irregolari, con conseguenti spessori di deposizione variabili. Il controllo della morfologia, dello spessore e della cristallinità del rivestimento richiede anche una regolazione precisa della composizione dell'elettrolita e della tensione applicata. Inoltre, gli oggetti di grandi dimensioni o tridimensionali potrebbero non ricevere rivestimenti uniformi, in particolare nelle aree incassate. Il rischio di contaminazione da impurità nell'elettrolita o sulla superficie dell'elettrodo può introdurre difetti, mentre i processi ad alta intensità energetica complicano ulteriormente la tecnica19. Il rivestimento per immersione è un processo in cui i substrati vengono immersi in una soluzione polimerica EAP e quindi ritirati a una velocità controllata per creare un film sottile. In alternativa, il rivestimento per immersione di un substrato con una soluzione monomerica potrebbe essere seguito da una fase di polimerizzazione secondaria. La scelta del solvente è fondamentale; Deve sciogliere il polimero o il monomero senza sciogliere le fibre sottostanti. Tuttavia, la formazione di rivestimenti non conformi o l'aggregazione può rappresentare uno svantaggio, in particolare su superfici complesse. Il rivestimento a spruzzo copre in modo efficiente superfici grandi o complesse e può essere combinato con altri metodi per applicazioni multistrato20, ma il rivestimento a spruzzo richiede anche un'attenta selezione del solvente per evitare di dissolvere i polimeri del substrato. La deposizione in fase vapore, in particolare la deposizione chimica da vapore (CVD), in genere evita problemi di solubilità, produce rivestimenti uniformi e sottili con un'eccellente adesione, consente la copertura di geometrie complesse ed è un processo scalabile. La CVD è un metodo ampiamente utilizzato per rivestire uniformemente i substrati con vari materiali, come carbonio, ossidi metallici ed EAP, vaporizzando i precursori, trasportandoli al substrato e consentendo l'adsorbimento, la nucleazione e la crescita in condizioni controllate. Nel caso delle CVD degli EAP, il processo prevede tipicamente la vaporizzazione di monomeri e/o ossidanti per consentire la polimerizzazione ossidativa in situ sulle fibre. La CVD offre vantaggi come rivestimenti uniformi e conformi, formazione precisa di film sottili, scalabilità per applicazioni industriali e versatilità nella deposizione di materiale, migliorando la funzionalità delle nanofibre per diverse applicazioni21. La CVD è stata utilizzata da Zhu et al. per il rivestimento di nanofibre di NiCo2O4 calcinate originariamente realizzate con polivinilpirrolidone con il polipirrolo22 EAP.

Nel nostro lavoro, i tappetini in nanofibra sono stati preparati da PAN come substrati per la CVD degli EAP. Il PAN è un polimero di base economico che è insolubile in mezzi acquosi, è stabile dal punto di vista ambientale e ha un'elevata resistenza e modulo. Un recente studio di Sapountzi et al.23 ha dimostrato il successo della deposizione di vari materiali su nanofibre PAN utilizzando tecniche CVD. In particolare, hanno elettrofilato soluzioni di PAN contenenti il cloruro ferrico ossidante e quindi esposto le fibre a vapori di pirrolo e/o acido pirrolo-3-carbossilico per produrre nanofibre core-shell di PAN e EAP per il rilevamento del glucosio23.

Nella CVD degli EAP, la concentrazione di ossidante è fondamentale per consentire la polimerizzazione ossidativa di monomeri elettroattivi come il pirrolo e l'anilina su nanofibre elettrofilate, influenzando significativamente la velocità di deposizione e le proprietà dei polimeri conduttori risultanti. Il cloruro ferrico (FeCl3) è comunemente usato come agente ossidante, formando cationi radicali monomerici che reagiscono per creare polimeri24,25. Concentrazioni più elevate di FeCl3 aumentano i tassi di polimerizzazione e deposizione a causa di un maggior numero di specie ossidanti disponibili, mentre concentrazioni più basse rallentano questi processi. Sapountzi et al. hanno dimostrato che concentrazioni più elevate di FeCl3 hanno portato a tassi di deposizione più rapidi e rivestimenti più uniformi di polipirrolo (PPy) sulle nanofibre PAN e viceversa23. Con basse concentrazioni di FeCl3, la limitata disponibilità di specie ossidanti rallenta la formazione di cationi radicalici e il successivo processo di polimerizzazione25,26. D'altra parte, Xue et al. hanno riportato che una concentrazione ottimale di FeCl3 di 0,25 M ha portato a un rivestimento PPy uniforme e altamente conduttivo sulle nanofibre PAN, mentre concentrazioni più elevate hanno portato a una sovra-ossidazione e degradazione del polimero27. Wissmann et al. hanno studiato la deposizione di polianilina (PANI) su nanofibre PAN e hanno osservato che l'aumento della concentrazione di FeCl3 da 0,1 M a 0,5 M ha aumentato significativamente il tasso di deposizione e la conduttività del rivestimento PANI, ma l'ulteriore aumento della concentrazione ha portato a una deposizione non uniforme. Zhang et al. hanno riportato la deposizione di un copolimero di anilina e o-anisidina su nanofibre PAN utilizzando diverse concentrazioni di FeCl3. Hanno scoperto che una concentrazione ottimale di FeCl3 di 0,25 M ha portato a un rivestimento uniforme e altamente conduttivo, mentre concentrazioni più elevate hanno portato a un'eccessiva ossidazione e degradazione del polimero, come identificato dalla minore conduttività del materiale28. Pertanto, un'attenta selezione delle concentrazioni di ossidanti è fondamentale per garantire rivestimenti EAP ottici.

Questa ricerca dimostra l'uso di CVD per la preparazione di nanofibre PAN rivestite di poli(3,4-etilendiossitiofene) (PEDOT). Questa ricerca si concentra quindi sul processo che coinvolge inizialmente l'elettrofilatura della nanofibra PAN, seguita prima dall'infusione di queste nanofibre PAN con FeCl3 a varie concentrazioni e poi dalla deposizione di EAP sulle fibre FeCl 3-ladden, come mostrato nella Figura 1. Lo studio esplora l'influenza di diverse concentrazioni di FeCl3 sul tasso di deposizione di PEDOT sulle nanofibre. I test meccanici valutano l'effetto dei rivestimenti PEDOT sulle proprietà meccaniche dei materiali, in particolare in ambienti ad alta umidità, indicativo della pertinenza del materiale per applicazioni biomediche e di purificazione dell'acqua. L'ottimizzazione della concentrazione di FeCl3 è fondamentale per garantire una deposizione efficiente e precisa degli EAP, portando a rivestimenti uniformi e migliori proprietà del materiale. L'assenza di studi completi che esaminino gli effetti delle concentrazioni di FeCl3 e delle caratteristiche di configurazione VPD sul tasso di deposizione e sulla funzionalità delle nanofibre PAN rivestite di EAP sottolinea l'importanza di questa ricerca. I risultati di questo lavoro sono particolarmente significativi date le differenze osservate nella deposizione di EAP a concentrazioni di FeCl3 inferiori rispetto agli studi precedenti, evidenziando il ruolo critico della configurazione della deposizione in fase vapore (VPD).

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Protocollo

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1. Configurazione sperimentale

  1. Elettrofilatura di nanofibre PAN
    1. Sciogliere 1 g di PAN in 10 mL di DMF per creare una soluzione al 10%.
    2. Assemblare la configurazione di elettrofilatura, assicurandosi che l'alimentatore ad alta tensione, la pompa a siringa e un ago calibro 20 con punta piatta siano collegati a un collettore con messa a terra mostrato nella Figura 1 e nella Figura 2. Assicurarsi che l'elettrospinner venga utilizzato in una cappa aspirante o collegato a un condotto di ventilazione per ridurre al minimo l'esposizione ai vapori di solvente.
    3. Coprire il tamburo di raccolta in metallo, che riceverà le nanofibre polimeriche, con carta oleata per un facile recupero delle fibre e una minima contaminazione incrociata tra i campioni.
    4. Riempire la siringa con la soluzione PAN e collegarla all'ago della filiera utilizzando un tubo in politetrafluoroetilene (PTFE) con diametro interno di 0,8 mm con adattatori Luer.
    5. Impostare la portata della pompa a siringa su 0,04 ml/min. La portata può essere regolata secondo necessità in base alle proprietà della soluzione polimerica.
    6. Applicare una tensione di 18,9 kV tra la filiera e il collettore con messa a terra, che è impostato per ruotare a 1.200 giri/min 29,30. Seguire le linee guida corrette durante l'elettrofilatura poiché il processo prevede un'alta tensione.
    7. Lasciare che il getto carico inizi dalla filiera, dove si solidifica in nanofibre continue mentre il solvente evapora. Assicurarsi che la tensione applicata, la portata della soluzione e la velocità di rotazione del tamburo siano coerenti in tutti i lotti per ottenere una morfologia e un diametro uniformi delle fibre.
    8. Lasciare depositare le nanofibre PAN sul collettore a terra rivestito con carta oleata per circa 4,5 ore. Trascorso questo periodo di tempo, srotolare la carta oleata dal tamburo rimuovendo il nastro adesivo.
  2. Preparazione dei coupon PAN
    1. Asciugare il tappetino in fogli PAN in un essiccatore sottovuoto a temperatura ambiente per 72 ore per rimuovere eventuali residui di solvente o acqua adsorbiti durante la lavorazione.
    2. Taglia i tappetini di fibra essiccata in tagliandi di 2 cm x 2 cm con le forbici o una lama di rasoio. Notare le posizioni dei tagliandi rispetto al senso di rotazione del tamburo, come mostrato in Figura 3. Organizza i coupon in gruppi di triplicati, producendo repliche dalla stessa colonna del tappetino in fibra per garantire la coerenza.
  3. Assemblaggio del sistema del vuoto
    1. Assemblare il sistema di deposizione chimica in fase vapore utilizzando un contenitore in acciaio chiuso con coperchio in vetro dotato di una guarnizione in silicone per controllare con precisione le condizioni di vuoto, come mostrato nella Figura 4. Questi contenitori sono disponibili in commercio come kit di camere di degasaggio sottovuoto da una varietà di fornitori e sono economici.
    2. Dotare l'impianto di due valvole per la gestione del vuoto: una valvola si collega alla pompa del vuoto e si chiude una volta raggiunto il vuoto desiderato; L'altra valvola si collega all'atmosfera e viene aperta per consentire il rilascio controllato del vuoto secondo necessità.
    3. Collegare una pompa del vuoto al sistema per ridurre la pressione nella camera. Posizionare il contenitore su una piastra riscaldante in grado di raggiungere temperature fino a 250 °C per consentire la gestione termica durante il processo di deposizione.
  4. Assemblaggio del rack di deposizione in fase vapore
    1. Sviluppare rack di deposizione per il progetto secondo i progetti per due design di rack di deposizione descritti di seguito.
    2. Costruire il rack di deposizione di Generazione 1 (G1) mostrato nella Figura 5A avvolgendo quattro gambe verticali in acciaio inossidabile in un foglio di alluminio per evitare contaminazioni.
    3. Collega le gambe verticali con aste orizzontali in alto e in basso, formando una struttura a forma di cubo cavo per la stabilità.
    4. Avvolgi tre fili di rame orizzontali attorno alle gambe per creare tre livelli o livelli per appendere i coupon.
    5. Assicurarsi che il rack G1 sia compatto, si adatti a una camera di lavorazione e consenta un facile montaggio e smontaggio.
    6. Costruire la configurazione di Generazione 2 (G2), mostrata nella Figura 5B, utilizzando l'acciaio inossidabile per garantire durata e resistenza alla corrosione. Gli schemi tecnici per questo sistema sono forniti nel File supplementare 1. Progetta il rack G2 con una base circolare e una piastra superiore collegate da quattro aste verticali per stabilità e supporto. Dotare le aste verticali di morsetti regolabili per consentire la personalizzazione dell'altezza tra la base e la piastra superiore. Installare un vassoio circolare in rete metallica in acciaio inossidabile per appendere i coupon.
    7. Garantire un controllo preciso sul posizionamento dei provini elettrofilati durante il processo di deposizione per favorire un'esposizione uniforme alla fase vapore.

2. Deposizione in fase vapore

  1. Deposito del3 FeCl sui tagliandi PAN
    1. Pesa i coupon PAN. Depositare FeCl3 (ossidante) sui tagliandi PAN (almeno tre repliche per condizione) immergendoli in soluzioni acquose di FeCl3 di concentrazioni variabili, da 1 M a 5 M, per 30 min.
      ATTENZIONE: Prestare attenzione quando si maneggia il cloruro ferrico (anidro), poiché è un irritante corrosivo che può causare gravi danni agli occhi.
    2. Trasferire i coupon su salviette di carta a basso contenuto di lanugine per facilitare l'asciugatura osmotica, sostituendo le salviette 2 volte.
    3. Avvolgere i tagliandi in salviette e inserirli all'interno di una cappa aspirante per 24 ore per completare la prima fase del processo di asciugatura.
    4. Pesare i coupon PAN dopo 24 ore e registrare la perdita di peso. Appendere i tagliandi PAN agganciandoli alla vaschetta metallica preparata al punto 1.4.9.
    5. Posizionare un becher da 500 ml contenente essiccante secco di cloruro di calcio nella parte inferiore della configurazione. Posizionare l'intera configurazione all'interno di una camera a vuoto.
    6. Avviare il vuoto accendendo la pompa e lasciando aperta la valvola del vuoto per la rimozione continua dell'aria, utilizzando efficacemente il sistema del vuoto come essiccatore. Qui, la velocità di pompaggio era di 85 L/min. Il vuoto finale raggiunto da questa pompa e configurazione è stato di circa 8000 Pa.
    7. Monitorare la perdita di peso dei tagliandi a intervalli di 1 ora, 2 ore, 3 ore, 24 ore, 48 ore e 72 ore.
  2. Deposizione PEDOT sui coupon PAN
    1. Agganciare e appendere i coupon PAN al gruppo rack coupon.
    2. Appendere i tagliandi all'interno del sistema del vuoto insieme a un contenitore di vetro aperto contenente circa 4 g di monomero (EDOT). Regolare la temperatura della piastra riscaldante a 55 °C.
    3. Aprire la valvola tra la camera e la pompa del vuoto ed evacuare la camera fino a raggiungere il vuoto desiderato (8000 Pa). Quindi, chiudere la valvola, lasciando la camera sotto vuoto.
    4. Lasciare che il processo di deposizione del vapore avvenga per 2 ore. Dopo 2 ore, aprire la valvola di rilascio del vuoto per recuperare i tagliandi rivestiti in PEDOT.
  3. Coupon lavaggio
    1. Rimuovere i coupon rivestiti di polimero dalla camera VPD e trasferirli nella camera di lavaggio.
    2. Posizionare i tagliandi sull'apertura di un imbuto di porcellana rivestito con carta da filtro circolare di 5,5 cm di diametro e una dimensione dei pori di 180 μm, come mostrato nella Figura 6.
    3. Lavare insieme ogni lotto di tre coupon di una concentrazione specifica per rimuovere il residuo di FeCl3 spruzzando metanolo sui coupon utilizzando un flacone a spruzzo.
    4. Garantire una rimozione completa del residuo di FeCl3 aumentando il volume di metanolo con concentrazioni più elevate per dissolvere e lavare via efficacemente l'ossidante e il monomero residui. Utilizzare circa 200 ml di metanolo per i coupon immersi in 1 M FeCl3. Aumentare la quantità di metanolo di 50 ml per ogni livello di concentrazione più elevato (ad esempio, 250 ml per 2 M, 300 ml per 3 M).
    5. Dopo il lavaggio, lasciare asciugare i coupon sotto la cappa per 30 min a cui segue l'asciugatura in essiccatore con essiccante a temperatura ambiente per 1 h e infine conservarli in fiale di vetro.
  4. Pulizia della camera VPD e della pompa
    1. Sciacquare la camera CVD con acetone per sciogliere il monomero non reagito. Smaltire il risciacquo nel contenitore dei rifiuti organici.
    2. Porre la camera in una cappa aspirante a vuoto e riscaldarla a 30 °C per 1 ora. Immergere la camera in una soluzione detergente per 24 ore e poi smaltire il detersivo.
    3. Riscaldare la camera con il coperchio leggermente aperto a 200 °C per 24 ore. Eseguire un altro ciclo di spruzzatura di acetone e asciugare la camera nella cappa a 30 °C per 1 ora.
    4. Cambiare l'olio della pompa dopo ogni lotto di deposizione di monomero per mantenere l'integrità dell'esperimento.

3. Caratterizzazione dei campioni

  1. Analisi SEM del tappetino in nanofibra
    1. Fissare i campioni PAN, PAN+FeCl3 e PAN+FeCl3+PEDOT ai tronchetti di alluminio utilizzando del nastro di carbonio.
    2. Immagine dei campioni con un ingrandimento di 5000x, utilizzando una dimensione dello spot di 4,5 nm e una tensione di accelerazione di 20 kV. Regolare i parametri di imaging secondo necessità per studiare la morfologia del campione.
    3. Utilizzare la funzione di misurazione per determinare i diametri delle fibre. Effettuare 12-15 misurazioni per un campione.
    4. Eseguire l'analisi della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) secondo le procedure operative standard dello strumento SEM. Ottenere la percentuale atomica e la percentuale in peso degli elementi trovati nei campioni.
  2. Analisi meccaniche
    1. Cornici in cartone da 40 mm x 40 mm tagliate al laser con aperture delle finestre centrate da 20 mm x 20 mm.
    2. Utilizzando una lama di rasoio, ritagliare con precisione strisce di campioni di nanofibra di 10 mm x 40 mm con il bordo di 40 mm parallelo alla direzione di formazione della nanofibra elettrofilata.
    3. Misurare lo spessore (mm) di ciascuna striscia utilizzando calibri digitali in cinque punti scelti intorno al centro del campione dove il campione non sarebbe in contatto con il telaio e a circa le stesse distanze l'uno dall'altro. Prendi la media come spessore. Misurare il peso (g) di ogni striscia.
    4. Condizionare il campione mediante essiccazione (essiccatore sottovuoto riempito con solfato di calcio) o immersione in soluzione salina tamponata con fosfato (10x PBS) per 72 ore.
    5. Tamponare i campioni imbevuti di PBS su salviette in tessuto prive di lanugine. Sovrapporre un campione di polimero di 10 mm x 40 mm su un telaio di 40 mm x 40 mm e fissarlo con del nastro adesivo per l'inserimento nel tester di trazione.
    6. Caricare il telaio e il campione nel tester di trazione e testare a temperatura ambiente e alla velocità di deformazione desiderata (0,8 s-1). L'uscita sarà in vigore e in cilindrata.
    7. Converti la forza e lo spostamento in sforzo-deformazione. Calcolare la densità del campione dalle dimensioni e dalla massa del campione. Per calcolare lo stress, dividere i dati di forza raccolti dal tester di trazione per l'area della sezione trasversale del campione, quindi moltiplicare sia per la densità del tappetino in fibra che per la lunghezza del calibro utilizzata durante il test.

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Risultati

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In questo lavoro, le nanofibre PAN rivestite di polimero elettroattivo sono fabbricate mediante elettrofilatura per sviluppare materiali altamente porosi ma resistenti che potrebbero essere utilizzati come filtri, assorbenti e fotocatalizzatori per la purificazione dell'acqua, substrati per l'elettrocatalisi e scaffold/matrici per l'ingegneria tissutale, la rigenerazione nervosa, la somministrazione di farmaci e il biorilevamento. Per fornire a questi materiali proprietà elettroattive, le...

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Discussione

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In questo lavoro, vengono descritti i protocolli per l'elettrofilatura di stuoie in nanofibre da polimeri di base, il rivestimento di queste nanofibre con polimeri elettroattivi mediante polimerizzazione ossidativa in fase vapore e la caratterizzazione delle proprietà chimiche e meccaniche di questi materiali.

L'elettrofilatura è diventata uno strumento utile per la generazione di materiali ad alta area superficiale per una vasta gamma di applicazioni, dalla

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto in parte dalla National Science Foundation, Partnership for Research and Education in Materials (DMR#2122041) e dalla Alfred P. Sloan Foundation (# G-2022-19553), Texas State University/University of Colorado, Boulder Sloan Undergraduate Research Program.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
10X PBSThermo Fisher ScientificBP399-1Utilizzato per imitare in vivo le condizioni di sale e umidità
AcetoneThermo Scientific A412P4Utilizzato per pulire la camera VPD 
DMFEMD Milipore CorporationDX1727-6Utilizzato come solvente per preparare soluzioni PAN
EDOTTCIE0741Monomero elettroattivo utilizzato per depositare il polimero su coupon PAN Apparecchio
elettrofilaturaSprayBaseES30N-5WUtilizzato per produrre nanofibre PAN
FeCl3Thermo Scientific   12357.22Utilizzato per effettuare la polimerizzazione mediante ossidazione chimica di monomeri elettroattivi Carta
da filtro (180 μ m)  VWR28310-015Utilizzato per la filtrazione 
Alimentatore ad alta tensioneGammaES30N-5W15KV-20KV. Per questo esperimento sono stati utilizzati 18,9 KV.
Piastra riscaldanteCorningPC420DUtilizzato per riscaldare la camera a vuoto
MetanoloFischer ChemicalA412-4Utilizzato per rimuovere FeCl2 e FeCl3 dall'ago PAN rivestito in EAP
BDYale51109820G
PAN in polvereAmbeedA971305Utilizzato per la preparazione di nanofibre PAN. MW medio 150.000 g/mol.
tubo in PTFEMicrosolv Tech Corp.49210-20-C0,8 mm ID, 1,6 mm OD
PompaKozyvacuZK220419 Utilizzato per creare il vuoto all'interno della camera
SiringaAir-Tite23122010 mL, siringa monouso
Pompa a siringaNew EraNE-300Portata 0,04 mL/min
Camera a vuoto con manometriBAC EngX002APOXUR
Carta oleataReynolds KitchenCM-3CY-06KRUtilizzato per coprire il tamburo metallico e la raccolta della nanofibra PAN
di

Riferimenti

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