방법 논문

전기 방사 상품 고분자 나노 섬유에 전기 활성 폴리 (3,4- 에틸렌 디옥시 티오펜)의 기상 증착

2.2K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/67825

⸱

2025년 3월 7일

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

이 논문은 기상 증착을 사용하여 전기 방사 PAN 나노 섬유를 전기 활성 폴리머로 코팅하는 간단한 기술에 대해 설명합니다. 나노섬유 매트의 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 코팅 증착에 대한 산화제 FeCl₃의 효과를 조사하여 폴리머 성장, 섬유 직경 및 전반적인 기계적 강도를 이해하고 최적화했습니다.

초록

이 연구는 정수, 전기 촉매 및 생물 의학 응용 분야를 위한 다공성 및 강성 재료를 만들기 위해 전기 방사를 통한 폴리아크릴로니트릴(PAN) 나노 섬유의 준비를 조사합니다. 균일한 흰색 PAN 나노섬유 매트는 일관성을 보장하기 위해 2cm x 2cm 쿠폰으로 절단되었습니다. 전기 방사 후, 이러한 나노 섬유는 화학 기상 증착을 사용하여 전기 활성 고분자 (EAP)로 코팅되었으며, 염화철 (III) (FeCl3 )은 3,4- 에틸렌 디옥시 티 오펜 (EDOT)을 폴리 (3,4- 에틸렌 디옥시 티오펜) (PEDOT)로 중합시키는 산화제 역할을합니다. 이 연구는 PAN 쿠폰에 대한 PEDOT 증착에 대한 다양한 FeCl3 농도의 영향을 조사했습니다. PEDOT 선착서는 쿠폰 무게의 증가로 이어졌습니다. 주사 전자 현미경 (SEM)은 FeCl3 산화제 농도가 증가하여 처리 된 나노 섬유의 직경이 증가한 것을 보여주었지만, FeCl3 농도가 높을수록 섬유 간 브리징이 발생하여 섬유 간 간격이 동시에 감소함을 의미했습니다. 에너지 분산 형 X 선 분광법 (EDS)을 사용하여 나노 섬유에서 Fe, Cl 및 S의 존재를 확인했으며, FeCl3 농도가 사용됨에 따라 황 함량이 증가하여 산화제 농도가 증가함에 따라 PEDOT 증착 효율이 증가했음을 시사했습니다. 기계적 테스트에 따르면 PEDOT로 코팅된 PAN 섬유는 순수 PAN 나노섬유에 비해 수화 상태에서 인장 강도와 인성이 향상되었습니다. 이러한 결과는 PAN-PEDOT 복합재의 형태 및 특성에 영향을 미치는 FeCl3 농도의 중요한 역할을 강조하여 정수 처리, 조직 공학, 생체 감지, 촉매 및 에너지 저장과 같은 응용 분야에 대한 적합성을 향상시킵니다.

서론

전기 방사는 조직 공학, 약물 전달, 생체 감지, 식품 캡슐화, 절연 재료, 에너지 저장 및 소산, 촉매 작용 및 여과를 포함한 응용 분야를 위한 나노 섬유 기반 재료의 제조에 사용되는 기술입니다. 이 기술의 다양성은 다양한 섬유 배열과 형태 구조를 허용하여 여러 산업 분야의 혁신을 지원합니다 1,2,3,4,5,6. 전기 방사는 고분자 용액에서 작은 섬유를 생산하는 전압 구동 제조 기술입니다. 기본 설정에는 그림 1A와 같이 폴리머 용액으로 채워진 방사구(스테인리스강 바늘 또는 모세관 압출 튜브)가 장착된 주사기, 주사기 펌프, 고전압 전원 및 수집기가 포함됩니다. 주사기 펌프는 폴리머 용액의 일정한 흐름을 보장합니다. 회전 드럼을 집진기로 사용하면 더 크고 균일한 섬유 매트를 준비할 수 있습니다. 저속으로 회전하면 무작위 방향의 파이버가 생성되고 고속으로 회전하면 드럼 회전 방향으로 배향된 파이버가 생성됩니다3. 섬유 정렬에 필요한 속도는 폴리머 용액에 따라 다르며 용액 점도, 표면 장력 및 농도와 같은 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 이 과정은 바늘 끝과 수집기 사이에 전기장이 형성되어 액체 표면에 전하가 축적될 때 시작됩니다. 정전기 반발력이 표면 장력을 극복하면 액체 폴리머 용액은 테일러 원뿔을 형성하여 하전 액체 제트가 수집기쪽으로 이동합니다. 용매가 증발함에 따라 고체 고분자 섬유가 수집기 4,5에 증착됩니다. 전기 방사 나노 섬유는 폴리 아크릴로 니트릴 (PAN), 폴리스티렌 (PS), 폴리 (비닐 알코올) (PVA), 폴리 카프로 락톤 (PCL), 폴리 (에틸렌 옥사이드) (PEO), 폴리 (락틱 코 글리콜산) (PLGA), 나일론, 폴리 (비닐 리덴 플루오 라이드) / 폴리 우레탄 및 폴리 비닐 피롤리돈 1,7,8,9,10,11,12.

전기 활성 폴리머(EAP)를 사용하여 전기 방사 나노섬유 기반 재료를 제조하는 것이 특히 중요합니다. EAP는 화학적 또는 전기화학적 공정을 사용하여 여러 산화 상태 간에 가역적으로 전환할 수 있는 공액 백본이 있는 재료입니다. 이러한 변형은 색상, 전도성, 반응성 및 부피13과 같은 특성의 변화로 이어집니다. 이러한 다양성으로 인해 EAP는 에너지 변환 및 저장, 전기 변색, 액추에이터, 센서 및 생체 전자 장치와 같은 응용 분야에 적합합니다. 보다 구체적으로 EAP 나노 섬유는 에너지 저장, 센서, 액추에이터, 분리, 신경 / 조직 공학 및 바이오 센싱14 분야에서 잠재적으로 응용됩니다. 전기 활성 폴리머 (EAP)는 점도가 낮고 전도성이 높기 때문에 전기 방사 중에 몇 가지 문제를 제기하여 안정적인 제트 형성을 방해하고 연속 섬유 대신 제트 불안정성 및 비드 형성을 유발할 수 있습니다. 전기장에 대한 민감성은 조기 변형 또는 활성화를 유발하여 일관되지 않은 섬유 형성을 초래할 수 있습니다. 또한 EAP는 일반적으로 용해도가 낮기 때문에 용액 점도, 표면 장력 및 유전 특성에 영향을 미치는 특히 적합한 용매를 사용해야하므로 공정이 복잡해집니다. 낮은 탄성 및 유연성과 같은 EAP의 기계적 특성으로 인해 제트 파손 및 섬유 불일치가 발생할 수 있습니다. 동시에 전압, 바늘 수집기 거리 및 유량을 포함한 전기 방사 공정 매개 변수는 신중한 최적화가 필요하므로 공정이 더 복잡하고 재현성이 떨어집니다 15,16,17,18. 몇 가지 주목할만한 예외가 있지만, 대부분의 경우, 전기 방사가 가능한 캐리어 폴리머라고 불리는 추가 폴리머의 통합 없이는 EAP의 용액을 전기 방사하는 것이 불가능합니다19.

EAP 나노 섬유 기반 재료의 제조를 위한 대체 방법이 고안되었습니다. EAP를 다른 폴리머 또는 나노 입자와 혼합하면 두 폴리머1의 하이브리드 인 특성을 얻을 수 있습니다. EAP를 캐리어 폴리머와 혼합하면 전기 방사가 가능하지만 EAP의 바람직한 특성, 특히 전기 활성(전기장이 있을 때 특성을 변경하는 능력) 및 전도성은 혼합될 때 손실될 수 있습니다. 대신, 비전기 활성 전기 방사 나노 섬유를 EAP로 코팅하는 것은 나노 섬유의 코어에 기계적으로 견고한 폴리머를 가지면서 표면에서 EAP의 전기 활성과 전도성을 제공하는 방법이 될 수 있습니다. EAP 코팅은 전착, 스프레이 코팅, 딥 코팅 또는 증기상 증착을 사용하여 수행 할 수 있습니다. 그러나 전착에는 몇 가지 단점이 있습니다. 전도성 기판이 필요하며, 전도성을 향상시키기 위해 전처리를 거치지 않는 한 비전도성 재료와 함께 사용하는 것이 제한됩니다. 복잡하거나 다공성 표면에서 균일한 코팅을 달성하는 것은 불균일한 전기장으로 인해 어려울 수 있으며, 이로 인해 다양한 증착 두께가 발생할 수 있습니다. 코팅의 형태, 두께 및 결정도를 제어하려면 전해질 조성과 인가 전압의 정밀한 조정도 필요합니다. 또한, 대형 또는 3차원 물체는 특히 오목한 영역에서 균일한 코팅을 받지 못할 수 있습니다. 전해질 또는 전극 표면의 불순물로 인한 오염 위험으로 인해 결함이 발생할 수 있으며, 에너지 집약적인 공정은 기술을 더욱 복잡하게 만듭니다19. 딥 코팅은 기판을 EAP 폴리머 용액에 담근 다음 제어 된 속도로 회수하여 박막을 만드는 공정입니다. 대안적으로, 모노머 용액으로 기판을 딥 코팅한 후 2차 중합 단계를 수행할 수 있습니다. 용매의 선택은 매우 중요합니다. 그것은 근본적인 섬유를 용해시키지 않고 중합체 또는 단량체를 용해시켜야 합니다. 그러나 비컨포멀 코팅 또는 응집의 형성은 특히 복잡한 표면에서 단점이 될 수 있습니다. 스프레이 코팅은 크거나 복잡한 표면을 효율적으로 커버하고 다층 응용 분야를 위한 다른 방법과 결합할 수 있습니다20, 그러나 스프레이 코팅은 기판 폴리머의 용해를 방지하기 위해 신중한 용매 선택이 필요합니다. 기상 증착, 특히 화학 기상 증착(CVD)은 일반적으로 용해도 문제를 피하고, 접착력이 뛰어난 균일하고 얇은 코팅을 생성하고, 복잡한 형상을 커버할 수 있으며, 확장 가능한 공정입니다. CVD는 전구체를 기화시켜 기판으로 운반하고 제어된 조건에서 흡착, 핵형성 및 성장을 가능하게 하여 탄소, 금속 산화물 및 EAP와 같은 다양한 재료로 기판을 균일하게 코팅하는 데 널리 사용되는 방법입니다. EAP의 CVD의 경우, 공정은 일반적으로 단량체 및 / 또는 산화제를 기화시켜 섬유에 현장 산화 중합이 일어날 수 있도록합니다. CVD는 균일 및 컨포멀 코팅, 정밀한 박막 형성, 산업 응용 분야를 위한 확장성 및 재료 증착의 다양성과 같은 이점을 제공하여 다양한 응용 분야에서 나노 섬유의 기능을 향상시킵니다21. CVD는 Zhu et al. 원래 EAP 폴리피롤22와 함께 폴리비닐피롤리돈으로 만든 소성 NiCo2O4 나노 섬유의 코팅에 사용되었습니다.

우리의 연구에서, 나노 섬유 매트는 EAP의 CVD를위한 기판으로 PAN에서 준비되었습니다. PAN은 수성 매체에 불용성이고 환경적으로 안정적이며 강도와 모듈러스가 높은 저렴한 범용 폴리머입니다. Sapountzi et al.23 의 최근 연구는 CVD 기술을 사용하여 PAN 나노 섬유에 다양한 재료를 성공적으로 증착하는 것을 입증했습니다. 구체적으로, 그들은 산화제 염화철을 포함하는 PAN의 용액을 전기 방사 한 다음 섬유를 피롤 및 / 또는 피롤 -3- 카르 복실 산 증기에 노출시켜 포도당 감지를위한 PAN 및 EAP의 코어 쉘 나노 섬유를 생성했습니다23.

EAP의 CVD에서 산화제의 농도는 피롤 및 아닐린과 같은 전기 활성 단량체의 산화 중합을 전기 방사 나노 섬유에 중합시키는 데 중요하며, 이는 결과 전도성 폴리머의 증착 속도와 특성에 큰 영향을 미칩니다. 염화 제 2 철 (FeCl3 )은 일반적으로 산화제로 사용되어 폴리머24 , 25를 생성하기 위해 반응하는 단량체 라디칼 양이온을 형성합니다. FeCl3 농도가 높을수록 사용 가능한 산화 종이 많아 중합 및 증착 속도가 증가하는 반면, 농도가 낮을수록 이러한 과정이 느려집니다. Sapountzi 등은 FeCl3 농도가 높을수록 증착 속도가 빨라지고 PAN 나노 섬유에 폴리 피롤 (PPy)이 더 균일하게 코팅되고 그 반대의 경우도 마찬가지임을 보여주었습니다23. 낮은 FeCl3 농도로, 산화 종의 제한된 가용성은 라디칼 양이온의 형성과 후속 중합 과정의 속도를 늦춘다25,26. 반면에, Xue 등은 0.25M의 최적 FeCl3 농도로 인해 PAN 나노 섬유에 균일하고 전도성이 높은 PPy 코팅이 발생하고, 더 높은 농도는 폴리머27의 과산화 및 열화를 초래한다고 보고했습니다. Wissmann 등은 PAN 나노 섬유에 폴리아닐린(PANI)의 증착을 연구하고 FeCl3 농도를 0.1M에서 0.5M로 높이면 PANI 코팅의 증착 속도와 전도성이 크게 증가하지만 농도를 더 높이면 불균일한 증착이 발생한다는 것을 관찰했습니다. Zhang et al.은 서로 다른 FeCl3 농도를 사용하여 PAN 나노 섬유에 아닐린과 o-아니시딘의 공중 합체를 증착했다고보고했습니다. 그들은 0.25 M의 최적 FeCl3 농도가 균일하고 높은 전도성 코팅을 초래하는 반면, 더 높은 농도는 재료28의 낮은 전도성으로 확인 된 바와 같이 폴리머의 과산화 및 열화로 이어진다는 것을 발견했습니다. 따라서 광학 EAP 코팅을 보장하기 위해 산화제 농도를 신중하게 선택하는 것이 중요합니다.

이 연구는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT) 코팅 PAN 나노섬유의 제조에 CVD를 사용하는 방법을 보여줍니다. 따라서이 연구는 그림 1과 같이 처음에는 PAN 나노 섬유를 전기 방사 한 다음 먼저 이러한 PAN 나노 섬유에 다양한 농도의 FeCl3를 주입 한 다음 FeCl3 함유 섬유에 EAP를 증착하는 과정에 중점을 둡니다. 이 연구는 나노 섬유에 대한 PEDOT의 증착 속도에 대한 다양한 FeCl3 농도의 영향을 탐구합니다. 기계적 테스트는 특히 생물 의학 및 정수 응용 분야에 대한 재료의 관련성을 나타내는 습도가 높은 환경에서 재료의 기계적 특성에 대한 PEDOT 코팅의 영향을 평가합니다. FeCl3 농도의 최적화는 EAP의 효율적이고 정밀한 증착을 보장하는 데 중추적인 역할을 하여 균일한 코팅과 향상된 재료 특성으로 이어집니다. FeCl3 농도 및 VPD 설정 특성이 EAP 코팅 PAN 나노 섬유의 증착 속도 및 기능에 미치는 영향을 조사하는 포괄적 인 연구가 없다는 점은이 연구의 중요성을 강조합니다. 이 연구의 결과는 이전 연구와 비교하여 더 낮은 FeCl3 농도에서 EAP 증착에서 관찰 된 차이를 감안할 때 특히 중요하며, 기상 증착 (VPD) 설정의 중요한 역할을 강조합니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

1. 실험 설정

  1. PAN 나노섬유의 전기방사
    1. 10mL의 DMF에 1g의 PAN을 용해하여 10% 용액을 생성합니다.
    2. 전기 방사 설정을 조립하여 고전압 전원 공급 장치, 주사기 펌프 및 팁이 평평한 20게이지 바늘이 그림 1 및 그림 2에 표시된 접지된 수집기에 연결되었는지 확인합니다. 전기 스피너를 흄 후드에 사용하거나 환기 덕트에 연결하여 솔벤트 증기에 대한 노출을 최소화하십시오.
    3. 고분자 나노 섬유를 받을 금속 수집 드럼을 왁스 종이로 덮어 섬유를 쉽게 검색하고 샘플 간의 교차 오염을 최소화합니다.
    4. 주사기에 PAN 용액을 채우고 Luer 어댑터가 있는 0.8mm ID 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 튜브를 사용하여 방적돌기 바늘에 연결합니다.
    5. 시린지 펌프의 유속을 0.04mL/분으로 설정합니다. 유속은 폴리머 용액 특성에 따라 필요에 따라 조정할 수 있습니다.
    6. 18.9rpm에서 회전하도록 설정된 방사돌이와 접지된 수집기 사이에 1,200kV의 전압을 29,30kV로 적용합니다. 이 과정에는 고전압이 포함되므로 전기 방사 중에는 적절한 지침을 따르십시오.
    7. 충전된 제트가 방사돌기에서 시작되도록 하여 용매가 증발함에 따라 연속적인 나노 섬유로 응고됩니다. 적용된 전압, 용액 유량 및 드럼 회전 속도가 모든 배치에서 일정하게 유지되어 균일한 섬유 형태와 직경을 달성하도록 합니다.
    8. PAN 나노 섬유가 왁스 종이로 코팅된 접지된 수집기에 약 4.5시간 동안 침전되도록 합니다. 이 기간이 지나면 테이프를 제거하여 드럼에서 왁스 페이퍼의 포장을 풉니다.
  2. PAN 쿠폰 준비
    1. PAN 시트 매트를 실온의 진공 건조기로 72시간 동안 건조시켜 처리 중에 흡착된 잔류 용매나 물을 제거합니다.
    2. 말린 섬유 매트를 가위나 면도날로 2cm x 2cm 쿠폰으로 자릅니다. 그림 3과 같이 드럼 회전 방향에 대한 쿠폰의 위치를 주목하십시오. 쿠폰을 삼중 그룹으로 구성하여 일관성을 보장하기 위해 섬유 매트의 동일한 열에서 복제물을 생성합니다.
  3. 진공 시스템 어셈블리
    1. 그림 4와 같이 진공 상태를 정밀하게 제어하기 위해 실리콘 개스킷이 장착된 유리 뚜껑이 있는 밀폐된 강철 용기를 사용하여 화학 기상 증착 시스템을 조립합니다. 이 용기는 다양한 공급업체의 진공 탈기 챔버 키트로 상업적으로 이용 가능하며 저렴합니다.
    2. 진공을 관리하기 위해 시스템에 두 개의 밸브를 장착하십시오 : 하나의 밸브가 진공 펌프에 연결되고 원하는 진공에 도달하면 닫힙니다. 다른 밸브는 대기에 연결되고 필요에 따라 진공을 제어하여 방출할 수 있도록 열립니다.
    3. 진공 펌프를 시스템에 연결하여 챔버의 압력을 줄입니다. 최대 250°C의 온도에 도달할 수 있는 핫 플레이트에 용기를 배치하여 증착 공정 중에 열을 관리할 수 있습니다.
  4. Vapor phase deposition rack assembly (증기상 증착 랙 어셈블리)
    1. 아래에 설명된 두 가지 증착 랙 설계에 대한 설계에 따라 프로젝트를 위한 증착 랙을 개발합니다.
    2. 그림 5A에 표시된 Generation 1(G1) 증착 랙을 오염을 방지하기 위해 스테인리스 스틸로 만든 4개의 수직 다리를 알루미늄 호일로 감싸서 구성합니다.
    3. 수직 다리를 상단과 하단의 수평 막대로 연결하여 안정성을 위해 속이 빈 큐브 모양의 구조를 형성합니다.
    4. 다리에 세 개의 수평 구리선을 감아 쿠폰을 걸 수 있는 3단 또는 레벨을 만듭니다.
    5. G1 랙이 컴팩트하고, 처리 챔버에 맞으며, 쉽게 조립하고 분해할 수 있는지 확인하십시오.
    6. 그림 5B에 표시된 2세대(G2) 설정을 내구성과 내식성을 위해 스테인리스강을 사용하여 구성합니다. 이 시스템에 대한 엔지니어링 회로도는 보충 파일 1에 제공됩니다. G2 랙은 안정성과 지지력을 위해 4개의 수직 막대로 연결된 원형 베이스와 상판으로 설계합니다. 수직 막대에 조정 가능한 클램프를 장착하여 베이스와 상판 사이의 높이를 사용자 정의할 수 있습니다. 쿠폰을 걸 수 있도록 스테인리스 스틸로 만든 원형 철망 트레이를 설치하십시오.
    7. 증착 공정 중 전기 방사 쿠폰의 위치를 정밀하게 제어하여 증기상에 대한 균일한 노출을 촉진합니다.

2. 증기상 증착

  1. PAN 쿠폰에 FeCl3 증착
    1. PAN 쿠폰의 무게를 잰다. 1M에서 5M에 이르는 다양한 농도의 FeCl3 수용액에 30분 동안 담가두어 PAN 쿠폰(조건당 최소 3회 복제)에 FeCl3(산화제)를 입금합니다.
      주의 : 염화철(무수)은 심각한 눈 손상을 유발할 수 있는 부식성 자극제이므로 취급할 때 주의하십시오.
    2. 삼투압 건조를 용이하게 하기 위해 보푸라기가 적은 종이 물티슈에 쿠폰을 옮기고 물티슈를 2번 교체하십시오.
    3. 쿠폰을 물티슈에 싸서 24시간 동안 흄 후드 안에 넣어 건조 과정의 첫 번째 단계를 완료합니다.
    4. 24시간 후에 PAN 쿠폰의 무게를 측정하고 체중 감소를 기록하십시오. PAN 쿠폰을 1.4.9단계에서 준비한 금속 와이어 트레이에 걸어 걸어주세요.
    5. 건조 염화칼슘 건조제가 들어 있는 500mL 비커를 설정 하단에 놓습니다. 전체 설정을 진공 챔버 내부에 배치합니다.
    6. 펌프를 켜고 지속적인 공기 제거를 위해 진공 밸브를 열어 두어 진공 시스템을 효과적으로 데시케이터로 사용하여 진공을 시작합니다. 여기서 펌핑 속도는 85L/min이었습니다. 이 펌프 및 설정으로 달성된 최종 진공은 약 8000Pa였습니다.
    7. 1시간, 2시간, 3시간, 24시간, 48시간, 72시간 간격으로 쿠폰의 체중 감소를 모니터링합니다.
  2. PAN 쿠폰에 대한 PEDOT 입금
    1. PAN 쿠폰을 쿠폰 랙 어셈블리에 걸어 걸어 놓습니다.
    2. 약 4g의 단량체(EDOT)를 담을 수 있는 열린 유리 용기와 함께 진공 시스템 내부에 쿠폰을 매달아 놓습니다. 열판 온도를 55°C로 조정합니다.
    3. 챔버와 진공 펌프 사이의 밸브를 열고 원하는 진공(8000Pa)에 도달할 때까지 챔버를 비웁니다. 그런 다음 밸브를 닫고 챔버를 진공 상태로 두십시오.
    4. 증기 증착 과정이 2시간 동안 발생하도록 합니다. 2시간 후 진공 해제 밸브를 열어 PEDOT 코팅된 쿠폰을 검색합니다.
  3. 쿠폰 세탁
    1. VPD 챔버에서 폴리머 코팅 쿠폰을 제거하고 세척 챔버로 옮깁니다.
    2. 그림 6과 같이 직경 5.5cm, 기공 크기 180μm의 원형 여과지가 늘어선 도자기 깔때기의 입구 위에 쿠폰을 놓습니다.
    3. 특정 농도의 쿠폰 3개를 함께 세척하여 분출 병을 사용하여 쿠폰 위에 메탄올을 분사하여 FeCl3 잔류물을 제거합니다.
    4. 잔류 산화제 및 단량체를 효과적으로 용해하고 씻어내기 위해 더 높은 농도로 메탄올 부피를 증가시켜 FeCl3 잔류물을 철저히 제거합니다. 1M FeCl3에 담근 쿠폰에는 약 200mL의 메탄올을 사용하십시오. 농도가 높아질 때마다 메탄올 양을 50mL씩 증가시킵니다(예: 2M의 경우 250mL, 3M의 경우 300mL).
    5. 세탁 후 쿠폰을 후드 아래에서 30분 동안 건조시킨 다음 실온에서 건조제가 든 건조제와 함께 건조제에서 1시간 동안 건조하고 마지막으로 유리 바이알에 보관합니다.
  4. VPD 챔버 및 펌프 청소
    1. CVD 챔버를 아세톤으로 헹구어 미반응 단량체를 용해시킵니다. 헹굼은 유기성 폐기물 용기에 버리십시오.
    2. 비어있는 동안 챔버를 흄 후드에 놓고 30 ° C에서 1 시간 동안 가열합니다. 챔버를 세제 용액에 24시간 동안 담근 다음 세제를 폐기하십시오.
    3. 뚜껑을 약간 열어 200°C에서 24시간 동안 챔버를 가열합니다. 아세톤 분무를 한 번 더 수행하고 흄 후드의 챔버를 30°C에서 1시간 동안 건조시킵니다.
    4. 실험의 무결성을 유지하기 위해 각 단량체 증착 배치 후에 펌프 오일을 교체하십시오.

3. 샘플의 특성화

  1. 나노섬유 매트의 SEM 분석
    1. 탄소 테이프를 사용하여 PAN, PAN+FeCl3 및 PAN+FeCl3+PEDOT 샘플을 알루미늄 스터브에 부착합니다.
    2. 4.5nm의 스폿 크기와 20kV의 가속 전압을 사용하여 5000x 배율로 샘플을 이미지화합니다. 샘플 형태를 조사하기 위해 필요에 따라 이미징 매개변수를 조정합니다.
    3. 측정 기능을 사용하여 섬유 직경을 확인합니다. 샘플에 대해 12-15회 측정합니다.
    4. SEM 기기의 표준 작동 절차에 따라 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 분석을 수행합니다. 샘플에서 발견된 원소의 원자 비율과 중량 백분율을 구합니다.
  2. 기계 분석
    1. 20mm x 20mm 중앙 창 개구부가 있는 40mm x 40mm 판지 프레임을 레이저로 절단했습니다.
    2. 면도날을 사용하여 10mm x 40mm 나노섬유 샘플 스트립을 40mm 가장자리가 전기방사 나노섬유 형성 방향과 평행하도록 정밀하게 절단합니다.
    3. 디지털 캘리퍼를 사용하여 샘플이 프레임과 접촉하지 않고 거의 동일한 거리에서 표본 중심을 중심으로 선택한 5개 위치에서 각 스트립의 두께(mm)를 측정합니다. 평균을 두께로 취하십시오. 각 스트립의 무게(g)를 측정합니다.
    4. 건조(황산칼슘으로 채워진 진공 건조기) 또는 인산염 완충 식염수(10x PBS)에 72시간 동안 담궈 샘플을 컨디셔닝합니다.
    5. 보푸라기가 없는 티슈 물티슈에 PBS에 적신 샘플을 두드립니다. 10mm x 40mm 폴리머 샘플을 40mm x 40mm 프레임에 오버레이하고 인장 테스터에 삽입하기 위해 테이프로 붙입니다.
    6. 프레임과 샘플을 인장 시험기에 넣고 실온과 원하는 변형률(0.8 s-1)에서 테스트합니다. 출력은 힘과 변위에 있을 것입니다.
    7. 힘과 변위를 응력-변형으로 변환합니다. 샘플 치수와 질량에서 샘플의 밀도를 계산합니다. 응력을 계산하려면 인장 시험기에서 수집한 하중 데이터를 샘플의 단면적으로 나눈 다음 섬유 매트의 밀도와 테스트 중에 사용된 게이지 길이를 곱합니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

이 연구에서는 전기 방사로 코팅된 전기 활성 폴리머 코팅 PAN 나노 섬유를 전기 방사로 제작하여 다공성이지만 강한 재료를 개발하여 정수를 위한 필터, 흡수제 및 광촉매, 전기 촉매를 위한 기판, 조직 공학, 신경 재생, 약물 전달 및 생체 감지를 위한 골격/매트릭스로 사용할 수 있습니다. 이러한 물질에 전기활성 특성을 제공하기 위해 PAN 나노 섬유는 화학 기상 증착에 의해 EAP PEDOT로 코팅됩니다.

쿠폰의 형성은 PAN 용액을 전기방사함으로써 시작되어 흰색의 균질한 나노섬유 매트가 형성되었습니다. 전기 방사 후, PAN 나노 섬유 매트를 진공 데시케이터에서 72시간 동안 건조시켜 잔류 용매 또는 물을 제거했습니다. 그런 다음 건조된 나노섬유 매트를 가위를 사용하여 2cm x 2cm 쿠폰으로 절단하여 그림 3

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

이 작업에서는 상용 폴리머에서 나노 섬유 매트를 전기 방사하고, 기상 산화 중합에 의해 이러한 나노 섬유를 전기 활성 폴리머로 코팅하고, 이러한 물질의 화학적 및 기계적 특성의 특성화를 설명하는 프로토콜이 설명됩니다.

전기 방사는 생물 의학에서 지속 가능성 및 전자 분야에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 높은 표면적 재료를 생성하는 데 유용한 도구가 되었습니다 1,2. 전기 방사에 필요한 고전압을 고려할 때 평판이 좋은 브랜드의 특수 시스템에서 구입하는 것이 좋습니다. 그렇긴 하지만, 독자는 전기 방사 시스템 구축을 위한 모범 사례를 논의하는 외부 리소스를 참조합니다34. 전기 방사 재료의 특성은 수많은 고분자 용액과 공정 변수에 의해 제어됩니다. 전기 방사에 사용되는 고분...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

저자는 공개할 내용이 없습니다.

감사의 글

이 작업은 National Science Foundation Partnership for Research and Education in Materials(DMR#2122041)와 Alfred P. Sloan Foundation(# G-2022-19553) 텍사스 주립대학교/콜로라도 대학교 볼더 슬론 학부 연구 프로그램의 일부 지원을 받았습니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
10XPBS Thermo Fisher ScientificBP399-1생체 내 소금 및 습도 조건을 모방하는 데 사용됩니다
AcetoneThermo Scientific A412P4VPD 챔버를 청소하는 데 사용됩니다 
DMFEMD Milipore CorporationDX1727-6PAN 용액을 준비하는 용매로 사용 EDOT
TCIE0741PAN 쿠폰에 폴리머를 입금하는 데 사용되는
전기 방사 장치SprayBaseES30N-5WPAN 나노섬유 FeCl
3Thermo Scientific   12357.22전기 활성 단량체의 화학적 산화를 통한 중합에 사용
여과지(180 μ m)  VWR28310-015여과에 사용 
고전압 전원 공급 장치: 감마ES30N-5W, 15KV-20KV. 이 실험에는 18.9KV가 사용되었습니다.
진공 챔버를 가열하는 데 사용되는핫 플레이트CorningPC420D
메탄올피셔 화학물질 A412-4FeCl2< / sub> 및 FeCl3< / sub>를 제거하는 데 사용
20G
PAN 분말AmbeedA971305PAN 나노 섬유 제조에 사용됩니다. 평균 MW 150,000g/mol.
PTFE 튜빙Microsolv Tech Corp.49210-20-C0.8mm ID, 1.6mm OD
펌프KozyvacuZK220419챔버 내부에 진공을 만드는 데 사용
주사기Air-Tite23122010 mL, 일회용 주사기
주사기 펌프New EraNE-300유속 0.04 mL / min
게이지가있는 진공 챔버BAC EngX002APOXUR
왁스 페이Reynolds KitchenCM-3CY-06KR금속 드럼 및 PAN 나노섬유 채취에 사용
. EAP 코팅 된 PAN Needle BDYale 511098 20G PAN 분말에서 퍼

참고문헌

  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).

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청

허가 요청

태그

PEDOTX

관련 논문