Methodenartikel

Dampfaseafzetting van elektroactief poly (3,4-ethyleendioxythiofeen) op elektrogesponnen polymeer nanovezels

2.2K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/67825

⸱

7 maart 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 dit artikel

Samenvatting

Dit artikel beschrijft een eenvoudige techniek voor het coaten van elektrogesponnen PAN-nanovezels met elektroactieve polymeren met behulp van dampafzetting. De effecten van het oxidatiemiddel FeCl₃ op de afzetting van poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) coatings op PAN werden onderzocht om de polymeergroei, vezeldiameter en algehele mechanische sterkte van de nanovezelmatten te begrijpen en te optimaliseren.

Samenvatting

Deze studie onderzoekt de bereiding van polyacrylonitril (PAN) nanovezels door middel van elektrospinnen om zeer poreuze en sterke materialen te creëren voor toepassingen in waterzuivering, elektrokatalyse en biogeneeskunde. De uniform witte PAN nanovezelmatten werden in coupons van 2 cm x 2 cm gesneden om consistentie te garanderen. Na elektrospinnen werden deze nanovezels gecoat met een elektroactief polymeer (EAP) met behulp van chemische dampafzetting, waarbij ijzer (III) chloride (FeCl3) diende als oxidatiemiddel voor het polymeriseren van 3,4-ethyleendioxythiofeen (EDOT) tot poly (3,4-ethyleendioxythiofeen) (PEDOT). De studie onderzocht de impact van verschillende FeCl3-concentraties op PEDOT-depositie op de PAN-coupons. PEDOT-depositie leidde tot een toename van het coupongewicht. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) onthulde een toename van de diameter van de nanovezels die werden behandeld met een toenemende FeCl3-oxidatieconcentratie , hoewel hogere FeCl3-concentraties overbrugging tussen vezels veroorzaakten, wat een gelijktijdige afname van de afstand tussen vezels impliceert. Energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS) werd gebruikt om de aanwezigheid van Fe, Cl en S in de nanovezels te bevestigen, waarbij het zwavelgehalte steeg met de gebruikte FeCl3-concentratie, wat wijst op een verhoogde PEDOT-afzettingsefficiëntie bij toenemende oxidatieconcentratie. Mechanische tests toonden aan dat PEDOT-gecoate PAN-vezels een verbeterde treksterkte en taaiheid hadden in gehydrateerde toestand in vergelijking met pure PAN-nanovezels. Deze resultaten benadrukken de cruciale rol van FeCl3-concentratie bij het beïnvloeden van de morfologie en eigenschappen van PAN-PEDOT-composieten, waardoor ze beter geschikt zijn voor toepassingen zoals waterzuivering, weefselmanipulatie, biodetectie, katalyse en energieopslag.

Inleiding

Electrospinning is een techniek die wordt gebruikt voor de fabricage van op nanovezels gebaseerde materialen voor toepassingen zoals weefselengineering, medicijnafgifte, biosensing, voedselinkapseling, isolatiematerialen, energieopslag en -dissipatie, katalyse en filtratie. De veelzijdigheid van deze techniek maakt verschillende vezelopstellingen en morfologische structuren mogelijk, waardoor innovaties in meerdere industrieën worden ondersteund 1,2,3,4,5,6. Elektrospinnen is een spanningsgedreven fabricagetechniek die kleine vezels produceert uit een polymeeroplossing. De basisopstelling omvat een spuit die is uitgerust met een spindop (een roestvrijstalen naald of capillaire extrusiebuis) die is gevuld met een polymeeroplossing, een spuitpomp, een hoogspanningsstroombron en een collector, zoals weergegeven in afbeelding 1A. De spuitpomp zorgt voor een constante stroom van de polymeeroplossing. Het gebruik van een roterende trommel als opvangbak maakt de bereiding van grotere, meer uniforme vezelmatten mogelijk; Rotatie bij lage snelheden levert willekeurig georiënteerde vezels op, terwijl rotatie bij hoge snelheden vezels oplevert die in de richting van trommelrotatie3 zijn georiënteerd. De snelheid die nodig is voor de uitlijning van de vezel is specifiek voor de polymeeroplossing en kan variëren afhankelijk van factoren zoals de viscositeit van de oplossing, de oppervlaktespanning en de concentratie. Het proces begint wanneer een elektrisch veld tot stand wordt gebracht tussen de naaldpunt en de collector, waardoor ladingen zich ophopen op het vloeistofoppervlak. Wanneer elektrostatische afstoting de oppervlaktespanning overwint, vormt de vloeibare polymeeroplossing een Taylor-kegel, wat leidt tot een straal geladen vloeistof die naar de collector beweegt. Terwijl het oplosmiddel verdampt, worden vaste polymeervezels op de collector afgezet 4,5. Elektrogesponnen nanovezels zijn gemaakt van verschillende polymeren, waaronder polyacrylonitril (PAN), polystyreen (PS), poly (vinylalcohol) (PVA), polycaprolacton (PCL), poly (ethyleenoxide) (PEO), poly (melkzuur-co-glycolzuur) (PLGA), nylon, poly (vinylideenfluoride)/polyurethaan en polyvinylpyrrolidon 1,7,8,9,10,11,12.

De fabricage van elektrogesponnen materialen op basis van nanovezels met behulp van elektroactieve polymeren (EAP's) is van bijzonder belang. EAP's zijn materialen met geconjugeerde ruggengraat die omkeerbaar kunnen worden geschakeld tussen meerdere oxidatietoestanden met behulp van chemische of elektrochemische processen. Deze wijziging leidt tot veranderingen in eigenschappen zoals kleur, geleidbaarheid, reactiviteit en volume13. Deze veelzijdigheid maakt EAP's zeer geschikt voor toepassingen zoals energieconversie en -opslag, elektrochromie, actuatoren, sensoren en bio-elektronische apparaten. EAP-nanovezels, meer specifiek, hebben potentiële toepassingen in energieopslag, sensoren, actuatoren, scheidingen, zenuw-/weefselmanipulatie en biosensing14. Elektroactieve polymeren (EAP's) vormen verschillende uitdagingen tijdens het elektrospinnen vanwege hun lage viscositeit en hoge geleidbaarheid, wat een stabiele straalvorming kan belemmeren en kan leiden tot straalinstabiliteit en kralenvorming in plaats van continue vezels. Hun gevoeligheid voor elektrische velden kan voortijdige vervorming of activering veroorzaken, wat resulteert in inconsistente vezelvorming. Bovendien hebben EAP's doorgaans last van een slechte oplosbaarheid, waardoor het gebruik van specifiek geschikte oplosmiddelen nodig is die de viscositeit van de oplossing, de oppervlaktespanning en de diëlektrische eigenschappen beïnvloeden, wat het proces bemoeilijkt. De mechanische eigenschappen van EAP's, zoals lage elasticiteit en flexibiliteit, kunnen leiden tot straalbreuk en vezelinconsistentie. Tegelijkertijd moeten de procesparameters van het elektrospinnen, waaronder spanning, naaldcollectorafstand en debiet, zorgvuldig worden geoptimaliseerd, waardoor het proces complexer en minder reproduceerbaar wordt 15,16,17,18. Hoewel er verschillende opmerkelijke uitzonderingen zijn, is het in de meeste gevallen niet mogelijk om oplossingen van EAP's te elektrospinnen zonder de opname van extra polymeren, draagpolymeren genaamd, die in staat zijn om te elektrospinnen19.

Er zijn alternatieve methoden bedacht voor de bereiding van EAP-materialen op basis van nanovezels. Het mengen van EAP's met andere polymeren of nanodeeltjes levert eigenschappen op die een hybride zijn van de twee polymeren1. Hoewel het mengen van EAP's met dragerpolymeren elektrospinnen mogelijk maakt, kunnen de gewenste eigenschappen van het EAP - met name de elektroactiviteit (het vermogen om zijn eigenschappen te veranderen in de aanwezigheid van een elektrisch veld) en zijn geleidbaarheid - verloren gaan wanneer het wordt gemengd. In plaats daarvan kan het coaten van niet-elektroactieve elektrogesponnen nanovezels met EAP's een manier zijn om de elektroactiviteit en geleidbaarheid van de EAP aan het oppervlak te bieden, terwijl een mechanisch robuust polymeer in de kern van de nanovezels zit. EAP-coatings kunnen worden bereikt met behulp van elektrodepositie, spuitcoating, dompelcoating of dampfaseafzetting. Elektrodepositie heeft echter verschillende nadelen. Het vereist geleidende substraten, waardoor het gebruik ervan met niet-geleidende materialen wordt beperkt, tenzij ze een voorbehandeling ondergaan om de geleidbaarheid te verbeteren. Het bereiken van uniforme coatings op complexe of poreuze oppervlakken kan een uitdaging zijn vanwege oneffen elektrische velden, wat resulteert in variabele afzettingsdiktes. Het beheersen van de morfologie, dikte en kristalliniteit van de coating vereist ook een nauwkeurige afstemming van de elektrolytsamenstelling en de aangebrachte spanning. Bovendien kunnen grootschalige of driedimensionale objecten geen uniforme coatings krijgen, vooral niet in verzonken gebieden. Het risico van verontreiniging door onzuiverheden in de elektrolyt of op het elektrodeoppervlak kan defecten veroorzaken, terwijl energie-intensieve processen de techniek nog ingewikkelder maken19. Dompelcoating is een proces waarbij substraten worden ondergedompeld in een EAP-polymeeroplossing en vervolgens met een gecontroleerde snelheid worden teruggetrokken om een dunne film te creëren. Als alternatief kan het dompelcoaten van een substraat met een monomeeroplossing worden gevolgd door een secundaire polymerisatiestap. De keuze van het oplosmiddel is van cruciaal belang; Het moet het polymeer of monomeer oplossen zonder de onderliggende vezels op te lossen. De vorming van non-conforme coatings of aggregatie kan echter een nadeel zijn, vooral op complexe oppervlakken. Spuitcoating dekt efficiënt grote of complexe oppervlakken en kan worden gecombineerd met andere methoden voor meerlaagse toepassingen20, maar spuitcoating vereist ook een zorgvuldige selectie van oplosmiddelen om te voorkomen dat de substraatpolymeren oplossen. Dampfaseafzetting, met name chemische dampafzetting (CVD), vermijdt doorgaans oplosbaarheidsproblemen, produceert uniforme, dunne coatings met uitstekende hechting, maakt dekking van complexe geometrieën mogelijk en is een schaalbaar proces. CVD is een veelgebruikte methode voor het gelijkmatig coaten van substraten met verschillende materialen, zoals koolstof, metaaloxiden en EAP's, door precursoren te verdampen, naar het substraat te transporteren en adsorptie, nucleatie en groei onder gecontroleerde omstandigheden mogelijk te maken. In het geval van CVD van EAP's omvat het proces meestal het verdampen van monomeren en/of oxidanten om in situ oxidatieve polymerisatie op de vezels mogelijk te maken. CVD biedt voordelen zoals uniforme en conforme coatings, nauwkeurige dunne filmvorming, schaalbaarheid voor industriële toepassingen en veelzijdigheid in materiaalafzetting, waardoor de functionaliteit van nanovezels voor diverse toepassingen wordt verbeterd21. CVD werd gebruikt door Zhu et al. voor de coating van gecalcineerde NiCo2O4 nanovezels die oorspronkelijk waren gemaakt met polyvinylpyrrolidon met de EAP-polypyrrool22.

In ons werk zijn nanovezelmatten gemaakt van PAN als substraten voor de CVD van EAP's. PAN is een goedkoop basispolymeer dat onoplosbaar is in waterige media, milieustabiel is en een hoge sterkte en modulus heeft. Recente studie door Sapountzi et al.23 heeft de succesvolle afzetting van verschillende materialen op PAN-nanovezels aangetoond met behulp van CVD-technieken. In het bijzonder elektrosponnen ze oplossingen van PAN die het oxidatiemiddel ijzerchloride bevatten en stelden ze de vezels vervolgens bloot aan pyrrool- en/of pyrrool-3-carbonzuurdampen om kern-schil nanovezels van PAN en EAP's te produceren voor glucosedetectie23.

In de CVD van EAP's is de concentratie van oxidatiemiddel cruciaal om de oxidatieve polymerisatie van elektroactieve monomeren zoals pyrrool en aniline op elektrogesponnen nanovezels mogelijk te maken, waardoor de afzettingssnelheid en eigenschappen van de resulterende geleidende polymeren aanzienlijk worden beïnvloed. IJzerchloride (FeCl3) wordt vaak gebruikt als oxidatiemiddel, waarbij monomeerradicale kationen worden gevormd die reageren om polymeren te creëren24,25. Hogere FeCl3-concentraties verhogen de polymerisatie- en afzettingssnelheden als gevolg van meer beschikbare oxiderende soorten, terwijl lagere concentraties deze processen vertragen. Sapountzi et al. toonden aan dat hogere FeCl3-concentraties resulteerden in snellere afzettingssnelheden en meer uniforme coatings van polypyrrool (PPy) op PAN-nanovezels en vice versa23. Bij lage FeCl3-concentraties vertraagt de beperkte beschikbaarheid van oxiderende soorten de vorming van radicale kationen en het daaropvolgende polymerisatieproces25,26. Aan de andere kant rapporteerden Xue et al. dat een optimale FeCl3-concentratie van 0,25 M resulteerde in een uniforme en zeer geleidende PPy-coating op PAN-nanovezels, terwijl hogere concentraties leidden tot overoxidatie en degradatie van het polymeer27. Wissmann et al. bestudeerden de afzetting van polyaniline (PANI) op PAN-nanovezels en merkten op dat het verhogen van de FeCl3-concentratie van 0,1 M naar 0,5 M de afzettingssnelheid en geleidbaarheid van de PANI-coating aanzienlijk verhoogde, maar dat het verder verhogen van de concentratie resulteerde in niet-uniforme afzetting. Zhang et al. rapporteerden de afzetting van een copolymeer van aniline en o-anisidine op PAN-nanovezels met behulp van verschillende FeCl3-concentraties. Ze ontdekten dat een optimale FeCl3-concentratie van 0,25 M resulteerde in een uniforme en sterk geleidende coating, terwijl hogere concentraties leidden tot overoxidatie en degradatie van het polymeer, zoals blijkt uit de lagere geleidbaarheid van het materiaal28. Een zorgvuldige selectie van oxidatiemiddelconcentraties is dus van cruciaal belang om optische EAP-coatings te garanderen.

Dit onderzoek toont het gebruik van CVD aan voor de bereiding van poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) (PEDOT)-gecoate PAN-nanovezels. Dit onderzoek richt zich dus op het proces waarbij PAN-nanovezels in eerste instantie worden geëxploiteerd, gevolgd door het infuseren van deze PAN-nanovezels met FeCl3 in verschillende concentraties en vervolgens door de afzetting van EAP's op de FeCl 3-laddenvezels, zoals weergegeven in figuur 1. De studie onderzoekt de invloed van verschillende concentraties FeCl3 op de afzettingssnelheid van PEDOT op de nanovezels. Mechanische tests beoordelen het effect van PEDOT-coatings op de mechanische eigenschappen van de materialen, met name in omgevingen met een hoge luchtvochtigheid, wat een indicatie is van de relevantie van het materiaal voor biomedische en waterzuiveringstoepassingen. De optimalisatie van de FeCl3-concentratie is van cruciaal belang voor het garanderen van een efficiënte en nauwkeurige afzetting van EAP's, wat leidt tot uniforme coatings en verbeterde materiaaleigenschappen. Het ontbreken van uitgebreide studies naar de effecten van FeCl3-concentraties en VPD-opstellingskenmerken op de afzettingssnelheid en functionaliteit van EAP-gecoate PAN-nanovezels onderstreept het belang van dit onderzoek. De resultaten van dit werk zijn vooral significant gezien de verschillen die zijn waargenomen in de EAP-depositie bij lagere FeCl3-concentraties in vergelijking met eerdere studies, wat de cruciale rol van de opstelling van de dampfaseafzetting (VPD) benadrukt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Experimentele opstelling

  1. Elektrospinnen van PAN-nanovezels
    1. Los 1 g PAN op in 10 ml DMF om een oplossing van 10% te creëren.
    2. Zet de elektrospinopstelling in elkaar en zorg ervoor dat de hoogspanningsvoeding, spuitpomp en een naald van 20 gauge met een platte punt zijn aangesloten op een geaarde collector die wordt weergegeven in afbeelding 1 en afbeelding 2. Zorg ervoor dat de elektrospinner wordt gebruikt in een zuurkast of wordt aangesloten op ventilatiekanalen om blootstelling aan oplosmiddeldampen te minimaliseren.
    3. Bedek de metalen verzameltrommel, die de polymeernanovezels zal ontvangen, met vetvrij papier voor het gemakkelijk ophalen van vezels en minimale kruisbesmetting tussen monsters.
    4. Vul de spuit met de PAN-oplossing en sluit deze aan op de spindopnaald met behulp van een 0.8 mm ID polytetrafluorethyleen (PTFE) slang met Luer-adapters.
    5. Stel het debiet van de spuitpomp in op 0,04 ml/min. Het debiet kan naar behoefte worden aangepast, afhankelijk van de eigenschappen van de polymeeroplossing.
    6. Pas een spanning van 18.9 kV toe tussen de spindop en de geaarde collector, die is ingesteld om te draaien met 1,200 tpm29,30. Volg de juiste richtlijnen tijdens het elektrospinnen, aangezien het proces een hoge spanning met zich meebrengt.
    7. Laat de geladen straal uit de spindop komen, waar deze stolt tot continue nanovezels terwijl het oplosmiddel verdampt. Zorg ervoor dat de toegepaste spanning, het debiet van de oplossing en de rotatiesnelheid van de trommel consistent zijn in alle batches om een uniforme vezelmorfologie en diameter te bereiken.
    8. Laat de PAN-nanovezels ongeveer 4,5 uur afzetten op de geaarde opvangbak die is bedekt met vetvrij papier. Pak na deze periode het vetvrij papier uit de trommel door de tape te verwijderen.
  2. Voorbereiding van PAN-coupons
    1. Droog de PAN-plaatmat 72 uur in een vacuümexsiccator bij kamertemperatuur om eventueel achtergebleven oplosmiddel of water dat tijdens de verwerking is geadsorbeerd, te verwijderen.
    2. Snijd de gedroogde vezelmatten met een schaar of een scheermesje in coupons van 2 cm x 2 cm. Let op de posities van de coupons ten opzichte van de draairichting van de trommel, zoals weergegeven in figuur 3. Organiseer coupons in groepen drievouden en produceer replicaten van dezelfde kolom van de vezelmat om consistentie te garanderen.
  3. Vacuüm systeem assemblage
    1. Monteer het chemische dampfasedepositiesysteem met behulp van een gesloten stalen container met een glazen deksel voorzien van een siliconenpakking om de vacuümomstandigheden nauwkeurig te regelen, zoals weergegeven in afbeelding 4. Deze containers zijn in de handel verkrijgbaar als vacuümontgassingskamerkits van verschillende leveranciers en zijn niet duur.
    2. Rust het systeem uit met twee kleppen om het vacuüm te beheren: één klep wordt aangesloten op de vacuümpomp en wordt gesloten zodra het gewenste vacuüm is bereikt; De andere klep wordt aangesloten op de atmosfeer en wordt geopend om het vacuüm indien nodig gecontroleerd te laten ontsnappen.
    3. Sluit een vacuümpomp aan op het systeem om de druk in de kamer te verlagen. Plaats de container op een hete plaat die temperaturen tot 250 °C kan bereiken om thermisch beheer tijdens het depositieproces mogelijk te maken.
  4. Dampfase depositierek
    1. Ontwikkel depositierekken voor het project volgens de ontwerpen voor twee depositierekontwerpen die hieronder worden beschreven.
    2. Bouw het Generation 1 (G1) depositierek dat wordt getoond in afbeelding 5A door vier verticale poten van roestvrij staal in aluminiumfolie te wikkelen om besmetting te voorkomen.
    3. Verbind de verticale poten met horizontale staven aan de boven- en onderkant en vorm een holle kubusachtige structuur voor stabiliteit.
    4. Wikkel drie horizontale koperdraden om de poten om drie lagen of niveaus te creëren voor het ophangen van de kortingsbonnen.
    5. Zorg ervoor dat het G1-rek compact is, in een verwerkingskamer past en eenvoudige montage en demontage mogelijk maakt.
    6. Bouw de Generation 2 (G2)-opstelling, weergegeven in afbeelding 5B, met behulp van roestvrij staal voor duurzaamheid en corrosiebestendigheid. Technische schema's voor dit systeem worden verstrekt in aanvullend bestand 1. Ontwerp het G2-rek met een ronde basis en bovenplaat die met elkaar zijn verbonden door vier verticale staven voor stabiliteit en ondersteuning. Rust de verticale stangen uit met verstelbare klemmen om de hoogte tussen de basis en de bovenplaat aan te passen. Installeer een ronde gaasbak van roestvrij staal voor het ophangen van coupons.
    7. Zorg voor nauwkeurige controle over de positionering van elektrogesponnen coupons tijdens het afzettingsproces om een gelijkmatige blootstelling aan de dampfase te bevorderen.

2. Afzetting van de dampfase

  1. Afzetting van FeCl3 op PAN-coupons
    1. Weeg de PAN-kortingsbonnen. Breng FeCl3 (oxidatiemiddel) aan op de PAN-coupons (ten minste drie replicaten per toestand) door ze gedurende 30 minuten te weken in waterige FeCl3-oplossingen van verschillende concentraties, variërend van 1 M tot 5 M.
      LET OP: Wees voorzichtig bij het hanteren van ijzerchloride (watervrij), aangezien het een bijtende irriterende stof is die ernstig oogletsel kan veroorzaken.
    2. Breng de coupons over op pluisarme papieren doekjes om osmotisch drogen te vergemakkelijken en vervang de doekjes 2x.
    3. Wikkel de coupons in doekjes en plaats ze 24 uur in een zuurkast om de eerste fase van het droogproces te voltooien.
    4. Weeg de PAN-coupons na 24 uur en noteer het gewichtsverlies. Hang de PAN-coupons op door ze vast te haken aan de metalen draadlade die in stap 1.4.9 is voorbereid.
    5. Plaats een bekerglas van 500 ml met droog calciumchloride-droogmiddel op de bodem van de opstelling. Plaats de hele opstelling in een vacuümkamer.
    6. Start het vacuüm door de pomp aan te zetten en de vacuümklep open te laten voor continue luchtafvoer, waarbij het vacuümsysteem effectief als exsiccator wordt gebruikt. Hier bedroeg de pompsnelheid 85 l/min. Het uiteindelijke vacuüm dat door deze pomp en opstelling werd bereikt, was ongeveer 8000 Pa.
    7. Controleer het gewichtsverlies van de coupons met tussenpozen van 1 uur, 2 uur, 3 uur, 24 uur, 48 uur en 72 uur.
  2. PEDOT-afzetting op PAN-coupons
    1. Haak en hang de PAN-coupons aan het couponrek.
    2. Hang de coupons in het vacuümsysteem samen met een open glazen container die ongeveer 4 g monomeer (EDOT) bevat. Stel de temperatuur van de kookplaat in op 55 °C.
    3. Open de klep tussen de kamer en de vacuümpomp en evacueer de kamer totdat het gewenste vacuüm (8000 Pa) is bereikt. Sluit vervolgens de klep en laat de kamer onder vacuüm.
    4. Laat het dampafzettingsproces 2 uur plaatsvinden. Open na 2 uur de vacuümontluchtingsklep om de met PEDOT beklede coupons op te halen.
  3. Coupon wassen
    1. Verwijder de met polymeer beklede coupons uit de VPD-kamer en breng ze over naar de waskamer.
    2. Plaats de coupons over de opening van een porseleinen trechter bekleed met rond filterpapier met een diameter van 5,5 cm en een poriegrootte van 180 μm, zoals weergegeven in afbeelding 6.
    3. Was elke batch van drie coupons van een specifieke concentratie samen om FeCl3-residu te verwijderen door methanol over de coupons te spuiten met behulp van een spuitfles.
    4. Zorg voor een grondige verwijdering van FeCl3-residu door het methanolvolume te verhogen met hogere concentraties om resterende oxidatiemiddelen en monomeren effectief op te lossen en weg te spoelen. Gebruik ongeveer 200 ml methanol voor coupons gedoopt in 1 M FeCl3. Verhoog de hoeveelheid methanol met 50 ml voor elk hoger concentratieniveau (bijv. 250 ml voor 2 M, 300 ml voor 3 M).
    5. Laat de bonnen na het wassen 30 minuten onder de kap drogen, gevolgd door drogen in een exsiccator met droogmiddel bij kamertemperatuur gedurende 1 uur en bewaar ze ten slotte in glazen flesjes.
  4. Reiniging van de VPD-kamer en pomp
    1. Spoel de CVD-kamer met aceton om het niet-gereageerde monomeer op te lossen. Gooi de spoeling weg in de GFT-container.
    2. Plaats de kamer leeg in een zuurkast en verwarm deze gedurende 1 uur op 30 °C. Dompel de kamer 24 uur onder in een wasmiddeloplossing en gooi het wasmiddel vervolgens weg.
    3. Verwarm de kamer met het deksel op een kier afstand op 200 °C gedurende 24 uur. Verstuif opnieuw aceton en droog de kamer in de zuurkast gedurende 1 uur bij 30 °C.
    4. Ververs de pompolie na elke batch monomeerafzetting om de integriteit van het experiment te behouden.

3. Karakterisering van de monsters

  1. SEM-analyse van nanovezelmat
    1. Bevestig PAN-, PAN+FeCl3- en PAN+FeCl3+PEDOT-monsters aan aluminium stompjes met behulp van koolstoftape.
    2. Beeld de monsters af met een vergroting van 5000x, met een spotgrootte van 4,5 nm en een versnellende spanning van 20 kV. Pas de beeldvormingsparameters zo nodig aan om de morfologie van het monster te onderzoeken.
    3. Gebruik de meetfunctie om vezeldiameters te bepalen. Voer 12-15 metingen uit voor een monster.
    4. Voer energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS) analyse uit volgens de standaard operationele procedures van het SEM-instrument. Verkrijg het atoompercentage en het gewichtspercentage van de elementen die in de monsters worden aangetroffen.
  2. Mechanische analyse
    1. Lasergesneden kartonnen frames van 40 mm x 40 mm met gecentreerde raamopeningen van 20 mm x 20 mm.
    2. Snijd met een scheermesje nauwkeurig 10 mm x 40 mm nanovezelmonsterstrips uit, waarbij de rand van 40 mm evenwijdig is aan de richting van de elektrogesponnen nanovezelvorming.
    3. Meet de dikte (mm) van elke strip met behulp van digitale schuifmaten op vijf locaties rond het midden van het monster waar het monster niet in contact zou komen met het frame en ongeveer op gelijke afstanden van elkaar. Neem het gemiddelde als dikte. Meet het gewicht (g) van elke strip.
    4. Conditioneer het monster door uitdroging (vacuümexsiccator gevuld met calciumsulfaat) of door het gedurende 72 uur te weken in met fosfaat gebufferde zoutoplossing (10x PBS).
    5. Dep PBS-gedrenkte monsters op pluisvrije weefseldoekjes. Leg een polymeermonster van 10 mm x 40 mm op een frame van 40 mm x 40 mm en plak het vast voor plaatsing in de trekbank.
    6. Laad het frame en het monster in de trekbank en test bij kamertemperatuur en de gewenste reksnelheid (0.8 s-1). De output zal van kracht zijn en verplaatsing.
    7. Zet de kracht en verplaatsing om in stressbelasting. Bereken de dichtheid van het monster op basis van de afmetingen en massa van het monster. Om de spanning te berekenen, deelt u de krachtgegevens die door de trekbank zijn verzameld door de dwarsdoorsnede van het monster en vermenigvuldigt u deze vervolgens met zowel de dichtheid van de vezelmat als de meetlengte die tijdens het testen wordt gebruikt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

In dit werk worden elektroactieve polymeer-gecoate PAN-nanovezels vervaardigd door elektrospinning om zeer poreuze maar sterke materialen te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt als filters, absorptiemiddelen en fotokatalysatoren voor waterzuivering, substraten voor elektrokatalyse en steigers/matrices voor weefselmanipulatie, zenuwregeneratie, medicijnafgifte en biosensing. Om deze materialen elektroactieve eigenschappen te geven, worden PAN-nanovezels...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

In dit werk worden protocollen beschreven voor het elektrospinnen van nanovezelmatten van basispolymeren, het coaten van deze nanovezels met elektroactieve polymeren door oxidatieve polymerisatie in de dampfase, en karakterisering van de chemische en mechanische eigenschappen van deze materialen.

Elektrospinnen is een nuttig hulpmiddel geworden voor het genereren van materialen met een groot oppervlak voor een reeks toepassingen, van biogeneeskunde tot duurzaa...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het National Science Foundation Partnership for Research and Education in Materials (DMR#2122041) en de Alfred P. Sloan Foundation (# G-2022-19553) Texas State University/University of Colorado Boulder Sloan Undergraduate Research Program.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
10X PBSThermo Fisher ScientificBP399-1Worden gebruikt om in vivo zout- en vochtigheidsomstandigheden na te bootsen
AcetoneThermo Scientific A412P4Wordt gebruikt om de VPD-kamer te reinigen 
DMFEMD Milipore CorporationDX1727-6Wordt gebruikt als oplosmiddel om PAN-oplossingen te bereiden
EDOTTCIE0741Elektroactieve monomeer gebruikt om polymeer op PAN-coupons af te zetten
Electrospinning-apparaatSprayBaseES30N-5WWordt gebruikt om PAN-nanovezels te produceren
FeCl3Thermo Scientific  12357.22Wordt gebruikt om polymerisatie te bewerkstelligen via chemische oxidatie van elektroactieve monomeren
Filterpapier (180 μm) VWR28310-015Wordt gebruikt voor filtratie 
HoogspanningsvoedingGammaES30N-5W15KV-20KV. Voor dit experiment werd 18,9KV gebruikt.
Heet plaatCorningPC420DWordt gebruikt om de vacuümkamer te verwarmen
MethanolFischer ChemicalA412-4Wordt gebruikt om FeCl2 en FeCl3 uit EAP-gecoat PAN te verwijderen
NaaldBDYale51109820G
PAN-poederAmbeedA971305Wordt gebruikt voor de bereiding van PAN-nanovezels. Gemiddelde MW 150.000 g/mol.
PTFE-buisMicrosolv Tech Corp.49210-20-C0,8 mm ID, 1,6 mm OD
PompKozyvacuZK220419Wordt gebruikt om vacuüm in de kamer te creëren
SpuitAir-Tite23122010 mL, wegwerpspuit
SpuitpompNew EraNE-300Stroomsnelheid 0,04 mL/min
Vacuümkamer met manometersBAC EngX002APOXUR
WaspapierReynolds KitchenCM-3CY-06KRWordt gebruikt om metalen vat te bedekken en PAN-nanovezel te verzamelen

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Elektrogesponnen nanovezelspolyacrylonitril nanovezelsPEDOT coatingchemische dampafzettingijzer III chloride oxidatorelektroactieve polymerenscanning elektronenmicroscopieenergiedispersieve spectroscopiematerialen voor waterzuivering

Gerelateerde artikelen