Artykuł metodologiczny

Osadzanie w fazie gazowej elektroaktywnego poli(3,4-etylenodioksytiofenu) na elektroprzędzonych nanowłóknach polimerowych

DOI:

10.3791/67825

⸱

7 marca 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ten artykuł opisuje prostą technikę powlekania elektroprzędzonych nanowłókien PAN elektroaktywnymi polimerami za pomocą osadzania z fazy gazowej. Zbadano wpływ utleniacza FeCl₃ na osadzanie się powłok poli(3,4-etylenodioksytiofenowych) na PAN, aby zrozumieć i zoptymalizować wzrost polimeru, średnicę włókien i ogólną wytrzymałość mechaniczną mat z nanowłókien.

Streszczenie

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

To badanie bada przygotowanie nanowłókien poliakrylonitrylu (PAN) poprzez elektroprzędzenie w celu stworzenia wysoce porowatych i wytrzymałych materiałów do zastosowań w oczyszczaniu wody, elektrokatalizie i biomedycynie. Jednolicie białe maty z nanowłókien PAN zostały pocięte na odcinki o wymiarach 2 cm x 2 cm, aby zapewnić spójność. Po elektroprzędzeniu nanowłókna te pokryto elektroaktywnym polimerem (EAP) za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej, w którym chlorek żelaza (III) (FeCl3) służył jako utleniacz do polimeryzacji 3,4-etylenodioksytiofenu (EDOT) do poli(3,4-etylenodioksytiofenu) (PEDOT). W badaniu zbadano wpływ różnych stężeń FeCl3 na osadzanie się PEDOT na kuponach PAN. Depozycja PEDOT doprowadziła do wzrostu wagi kuponu. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) ujawniła wzrost średnicy nanowłókien poddanych działaniu rosnącego stężenia utleniacza FeCl3, chociaż wyższe stężenia FeCl3 powodowały mostkowanie między włóknami, co sugeruje jednoczesny spadek odstępów między włóknami. Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDS) została wykorzystana do potwierdzenia obecności Fe, Cl i S w nanowłóknach, przy czym zawartość siarki rosła wraz ze stosowanym stężeniem FeCl3, co sugeruje zwiększoną wydajność osadzania PEDOT wraz ze wzrostem stężenia utleniacza. Testy mechaniczne wykazały, że włókna PAN pokryte PEDOT mają lepszą wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość w stanie uwodnionym w porównaniu z czystymi nanowłóknami PAN. Wyniki te podkreślają kluczową rolę stężenia FeCl3 w wpływaniu na morfologię i właściwości kompozytów PAN-PEDOT, zwiększając ich przydatność do zastosowań takich jak oczyszczanie wody, inżynieria tkankowa, bioczujniki, kataliza i magazynowanie energii.

Wprowadzenie

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

Elektroprzędzenie to technika wykorzystywana do wytwarzania materiałów na bazie nanowłókien do zastosowań takich jak inżynieria tkankowa, dostarczanie leków, biosensacja, kapsułkowanie żywności, materiały izolacyjne, magazynowanie i rozpraszanie energii, kataliza i filtracja. Wszechstronność tej techniki pozwala na różne układy włókien i struktury morfologiczne, wspierając innowacje w wielu branżach1,2,3,4,5,6. Elektroprzędzenie to technika wytwarzania sterowana napięciem, która wytwarza małe włókna z roztworu polimeru. Podstawowa konfiguracja obejmuje strzykawkę wyposażoną w dyszę przędzalniczą (igłę ze stali nierdzewnej lub rurkę do wytłaczania kapilarnego), która jest wypełniona roztworem polimeru, pompę strzykawkową, źródło zasilania wysokiego napięcia i kolektor, jak pokazano na rysunku 1A. Pompa strzykawkowa zapewnia stały przepływ roztworu polimeru. Wykorzystanie obracającego się bębna jako kolektora pozwala na przygotowanie większych, bardziej jednorodnych mat włóknistych; Rotacja przy niskich prędkościach daje włókna zorientowane losowo, podczas gdy rotacja przy dużych prędkościach daje włókna zorientowane w kierunku obrotu bębna3. Prędkość niezbędna do wyrównania włókien jest specyficzna dla roztworu polimeru i może się różnić w zależności od takich czynników, jak lepkość roztworu, napięcie powierzchniowe i stężenie. Proces rozpoczyna się, gdy między końcówką igły a kolektorem powstaje pole elektryczne, w wyniku czego na powierzchni cieczy gromadzą się ładunki. Kiedy odpychanie elektrostatyczne pokonuje napięcie powierzchniowe, ciekły roztwór polimeru tworzy stożek Taylora, prowadząc do strumienia naładowanej cieczy poruszającego się w kierunku kolektora. Gdy rozpuszczalnik odparowuje, stałe włókna polimerowe są osadzane na kolektorze4,5. Elektroprzędzone nanowłókna zostały wykonane z kilku polimerów, w tym poliakrylonitrylu (PAN), polistyrenu (PS), poli(alkoholu winylowego) (PVA), polikaprolaktonu (PCL), poli(tlenku etylenu) (PEO), poli(kwasu mlekowo-ko-glikolowego) (PLGA), nylonu, poli(fluorku winylidenu)/poliuretanu i poliwinylopirolidonu1,7,8,9,10,11,12.

Szczególnie interesujące jest wytwarzanie elektroprzędzonych materiałów na bazie nanowłókien przy użyciu elektroaktywnych polimerów (EAP). EAP to materiały ze sprzężonym szkieletem, które można odwracalnie przełączać między wieloma stopniami utlenienia za pomocą procesów chemicznych lub elektrochemicznych. Ta modyfikacja prowadzi do zmian właściwości, takich jak kolor, przewodność, reaktywność i objętość13. Ta wszechstronność sprawia, że EAP doskonale nadają się do zastosowań takich jak konwersja i magazynowanie energii, elektrochromia, siłowniki, czujniki i urządzenia bioelektroniczne. Nanowłókna EAP, a dokładniej, mają potencjalne zastosowania w magazynowaniu energii, czujnikach, siłownikach, separacjach, inżynierii nerwowej/tkankowej i biodetekcji14. Polimery elektroaktywne (EAP) stwarzają kilka wyzwań podczas elektroprzędzenia ze względu na ich niską lepkość i wysoką przewodność, co może utrudniać stabilne tworzenie strumienia i prowadzić do niestabilności strumienia i tworzenia się ściegów zamiast ciągłych włókien. Ich wrażliwość na pola elektryczne może powodować przedwczesne odkształcenie lub aktywację, co skutkuje niespójnym tworzeniem się włókien. Ponadto EAP zazwyczaj cierpią na słabą rozpuszczalność, co wymaga użycia specjalnie odpowiednich rozpuszczalników, które wpływają na lepkość roztworu, napięcie powierzchniowe i właściwości dielektryczne, komplikując proces. Właściwości mechaniczne EAP, takie jak niska sprężystość i elastyczność, mogą prowadzić do pękania strumienia i niespójności włókien. Jednocześnie parametry procesu elektroprzędzenia, w tym napięcie, odległość między igłą a kolektorem i natężenie przepływu, wymagają starannej optymalizacji, co sprawia, że proces jest bardziej złożony i mniej powtarzalny15,16,17,18. Chociaż istnieje kilka godnych uwagi wyjątków, w większości przypadków nie jest możliwe elektroprzędzenie roztworów EAP bez włączenia dodatkowych polimerów, zwanych polimerami nośnikowymi, które są zdolne do elektroprzędzenia19.

Alternatywne metody zostały opracowane do przygotowania materiałów na bazie nanowłókien EAP. Mieszanie EAP z innymi polimerami lub nanocząstkami daje właściwości, które są hybrydą dwóch polimerów1. Podczas gdy mieszanie EAP z polimerami nośnymi umożliwia elektroprzędzenie, pożądane właściwości EAP - w szczególności jego elektroaktywność (zdolność do zmiany właściwości w obecności pola elektrycznego) i przewodność - mogą zostać utracone po zmieszaniu. Zamiast tego powlekanie nieelektroaktywnych nanowłókien przędzonych elektrolitycznie EAP może być sposobem na zapewnienie elektroaktywności i przewodności EAP na powierzchni przy jednoczesnym zastosowaniu mechanicznie wytrzymałego polimeru w rdzeniu nanowłókien. Powłoki EAP można wykonać za pomocą elektroosadzania, powlekania natryskowego, powlekania zanurzeniowego lub osadzania w fazie gazowej. Elektroosadzanie ma jednak kilka wad. Wymaga podłoży przewodzących, co ogranicza jego stosowanie w przypadku materiałów nieprzewodzących, chyba że zostaną one poddane wstępnej obróbce w celu zwiększenia przewodności. Uzyskanie jednolitych powłok na złożonych lub porowatych powierzchniach może być trudne ze względu na nierównomierne pola elektryczne, co skutkuje zmienną grubością osadzania. Kontrolowanie morfologii, grubości i krystaliczności powłoki wymaga również precyzyjnego dostrojenia składu elektrolitu i zastosowanego napięcia. Ponadto obiekty wielkoformatowe lub trójwymiarowe mogą nie być pokryte jednolitymi powłokami, szczególnie w zagłębieniach. Ryzyko zanieczyszczenia zanieczyszczeniami w elektrolicie lub na powierzchni elektrody może prowadzić do defektów, podczas gdy energochłonne procesy dodatkowo komplikują technikę19. Powlekanie zanurzeniowe to proces, w którym podłoża są zanurzane w roztworze polimeru EAP, a następnie wycofywane w kontrolowanym tempie w celu utworzenia cienkiej warstwy. Alternatywnie, po powlekaniu zanurzeniowym podłoża roztworem monomeru można przeprowadzić etap polimeryzacji wtórnej. Wybór rozpuszczalnika ma kluczowe znaczenie; Musi rozpuścić polimer lub monomer bez rozpuszczania włókien leżących pod spodem. Jednak tworzenie się powłok niekonforemnych lub agregacja może być wadą, szczególnie w przypadku złożonych powierzchni. Powlekanie natryskowe skutecznie pokrywa duże lub złożone powierzchnie i może być łączone z innymi metodami do zastosowań wielowarstwowych20, ale powlekanie natryskowe wymaga również starannego doboru rozpuszczalników, aby uniknąć rozpuszczenia polimerów podłoża. Osadzanie w fazie gazowej, w szczególności chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), zazwyczaj pozwala uniknąć problemów z rozpuszczalnością, tworzy jednolite, cienkie powłoki o doskonałej przyczepności, umożliwia pokrycie złożonych geometrii i jest procesem skalowalnym. CVD jest szeroko stosowaną metodą równomiernego powlekania podłoży różnymi materiałami, takimi jak węgiel, tlenki metali i EAP, poprzez odparowanie prekursorów, transport ich do podłoża i umożliwienie adsorpcji, zarodkowania i wzrostu w kontrolowanych warunkach. W przypadku CVD EAP proces ten zazwyczaj obejmuje odparowanie monomerów i/lub utleniaczy, aby umożliwić polimeryzację oksydacyjną in situ na włóknach. CVD oferuje takie korzyści, jak jednolite i konforemne powłoki, precyzyjne tworzenie cienkich warstw, skalowalność do zastosowań przemysłowych i wszechstronność w osadzaniu materiałów, zwiększając funkcjonalność nanowłókien do różnych zastosowań21. CVD został użyty przez Zhu i wsp. do powlekania kalcynowanych nanowłókien NiCo2O4 pierwotnie wykonanych z poliwinylopirolidonu z polipirolem EAP 22.

W naszej pracy maty z nanowłókien zostały przygotowane z PAN jako podłoża dla CVD EAP. PAN jest niedrogim polimerem towarowym, który jest nierozpuszczalny w środowisku wodnym, jest stabilny środowiskowo oraz ma wysoką wytrzymałość i moduł. Niedawne badania przeprowadzone przez Sapountzi et al.23 wykazały udane osadzanie różnych materiałów na nanowłóknach PAN przy użyciu technik CVD. W szczególności elektroprzędzili roztwory PAN zawierające utleniacz chlorek żelaza, a następnie wystawili włókna na działanie par pirolu i/lub kwasu pirolo-3-karboksylowego, aby wytworzyć nanowłókna typu rdzeń-powłoka PAN i EAP do wykrywania glukozy23.

W CVD EAP, stężenie utleniacza jest kluczowe dla umożliwienia polimeryzacji oksydacyjnej elektroaktywnych monomerów, takich jak pyrrol i anilina, na elektroprzędzonych nanowłóknach, znacząco wpływając na szybkość osadzania i właściwości powstałych polimerów przewodzących. Chlorek żelaza (FeCl3) jest powszechnie stosowany jako środek utleniający, tworzący kationy rodników monomerów, które reagują, tworząc polimery24,25. Wyższe stężenia FeCl3 zwiększają szybkość polimeryzacji i osadzania ze względu na bardziej dostępne formy utleniające, podczas gdy niższe stężenia spowalniają te procesy. Sapountzi i wsp. wykazali, że wyższe stężenia FeCl3 skutkowały szybszym tempem osadzania i bardziej jednolitymi powłokami polipirolu (PPy) na nanowłóknach PAN i odwrotnie23. Przy niskich stężeniach FeCl3 ograniczona dostępność związków utleniających spowalnia powstawanie kationów rodnikowych i późniejszy proces polimeryzacji25,26. Z drugiej strony, Xue i in. stwierdzili, że optymalne stężenie FeCl3 wynoszące 0,25 M skutkowało jednolitą i wysoce przewodzącą powłoką PPy na nanowłóknach PAN, podczas gdy wyższe stężenia doprowadziły do nadmiernego utleniania i degradacji polimeru27. Wissmann i wsp. badali osadzanie się polianiliny (PANI) na nanowłóknach PAN i zaobserwowali, że zwiększenie stężenia FeCl3 z 0,1 M do 0,5 M znacznie zwiększyło szybkość osadzania i przewodność powłoki PANI, ale dalsze zwiększanie stężenia powodowało nierównomierne osadzanie. Zhang i in. opisali osadzanie się kopolimeru aniliny i o-anizydyny na nanowłóknach PAN przy użyciu różnych stężeń FeCl3. Okazało się, że optymalne stężenie FeCl3 wynoszące 0,25 M skutkowało jednolitą i wysoce przewodzącą powłoką, podczas gdy wyższe stężenia prowadziły do nadmiernego utleniania i degradacji polimeru, co można zidentyfikować po niższej przewodności materiału28. Dlatego staranny dobór stężeń utleniaczy ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia optycznych powłok EAP.

To badanie pokazuje zastosowanie CVD do przygotowania nanowłókien PAN pokrytych poli(3,4-etylenodioksytiofenem) (PEDOT). Badania te koncentrują się zatem na procesie, który obejmuje początkowo elektroprzędzenie nanowłókien PAN, a następnie najpierw nastrzykanie tych nanowłókien PAN FeCl3 w różnych stężeniach, a następnie osadzanie EAP na włóknach FeCl 3-ladden, jak pokazano na Rysunek 1. W badaniu zbadano wpływ różnych stężeń FeCl3 na szybkość osadzania się PEDOT na nanowłóknach. Testy mechaniczne oceniają wpływ powłok PEDOT na właściwości mechaniczne materiałów, szczególnie w środowiskach o wysokiej wilgotności, co wskazuje na przydatność materiału do zastosowań biomedycznych i oczyszczania wody. Optymalizacja stężenia FeCl3 ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia wydajnego i precyzyjnego osadzania EAP, prowadząc do uzyskania jednolitych powłok i poprawy właściwości materiału. Brak kompleksowych badań oceniających wpływ stężeń FeCl3 i charakterystyki konfiguracji VPD na szybkość osadzania i funkcjonalność nanowłókien PAN pokrytych EAP podkreśla znaczenie tych badań. Wyniki tej pracy są szczególnie istotne, biorąc pod uwagę różnice zaobserwowane w osadzaniu EAP przy niższych stężeniach FeCl3 w porównaniu z poprzednimi badaniami, podkreślając krytyczną rolę układu osadzania w fazie gazowej (VPD).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Konfiguracja eksperymentalna

  1. Elektroprzędzenie nanowłókien PAN
    1. Rozpuścić 1 g PAN w 10 ml DMF, aby uzyskać 10% roztwór.
    2. Zmontuj zestaw do elektroprzędzenia, upewniając się, że zasilacz wysokiego napięcia, pompa strzykawkowa i igła o rozmiarze 20 z płaską końcówką są podłączone do uziemionego kolektora pokazanego na Rysunek 1 i Rysunek 2. Upewnij się, że elektroprzędzarka jest używana w dygestoriach lub podłączona do kanałów wentylacyjnych, aby zminimalizować narażenie na opary rozpuszczalnika.
    3. Przykryj metalowy bęben zbierający, który przyjmie nanowłókna polimerowe, papierem woskowanym, aby ułatwić pobieranie włókien i zminimalizować zanieczyszczenie krzyżowe między próbkami.
    4. Napełnić strzykawkę roztworem PAN i podłączyć ją do igły dyszy przędzalniczej za pomocą rurki z politetrafluoroetylenu (PTFE) o średnicy wewnętrznej 0,8 mm z adapterami Luer.
    5. Ustawić natężenie przepływu pompy strzykawkowej na 0,04 ml/min. Natężenie przepływu można regulować w zależności od potrzeb w zależności od właściwości roztworu polimerowego.
    6. Przykładać napięcie 18,9 kV między dyszą przędzalniczą a uziemionym kolektorem, który jest ustawiony na obracanie się z prędkością 1 200 obr./min29,30. Postępuj zgodnie z odpowiednimi wskazówkami podczas elektroprzędzenia, ponieważ proces ten wiąże się z wysokim napięciem.
    7. Pozwól, aby naładowany strumień rozpoczął się od dyszy przędzalniczej, gdzie zestala się w ciągłe nanowłókna, gdy rozpuszczalnik odparowuje. Upewnij się, że zastosowane napięcie, natężenie przepływu roztworu i prędkość obrotowa bębna są spójne we wszystkich partiach, aby uzyskać jednolitą morfologię i średnicę włókien.
    8. Pozwól nanowłókien PAN osadzić się na uziemionym kolektorze pokrytym papierem woskowanym przez około 4,5 godziny. Po tym czasie odwiń papier woskowany z bębna, usuwając taśmę.
  2. Przygotowanie kuponów PAN
    1. Wysuszyć matę arkuszową PAN w eksykatorze próżniowym w temperaturze pokojowej przez 72 godziny, aby usunąć wszelkie pozostałości rozpuszczalnika lub wody zaadsorbowane podczas przetwarzania.
    2. Pokrój wysuszone maty z włókna na kupony o wymiarach 2 cm x 2 cm nożyczkami lub żyletką. Zwróć uwagę na pozycje kuponów w odniesieniu do kierunku obrotu bębna, jak pokazano na Rysunek 3. Uporządkuj kupony w grupy potrójnych elementów, tworząc repliki z tej samej kolumny maty z włókna, aby zapewnić spójność.
  3. Montaż systemu próżniowego
    1. Zmontuj system chemicznego osadzania w fazie gazowej za pomocą zamkniętego stalowego pojemnika ze szklaną pokrywą wyposażoną w silikonową uszczelkę, aby precyzyjnie kontrolować warunki próżni, jak pokazano na Rysunek 4. Pojemniki te są dostępne na rynku jako zestawy próżniowych komór odgazowywania od różnych dostawców i są niedrogie.
    2. Wyposaż system w dwa zawory do zarządzania próżnią: jeden zawór łączy się z pompą próżniową i zamyka się po osiągnięciu żądanej próżni; drugi zawór łączy się z atmosferą i jest otwierany, aby umożliwić kontrolowane uwalnianie próżni w razie potrzeby.
    3. Podłącz pompę próżniową do systemu, aby zmniejszyć ciśnienie w komorze. Umieścić pojemnik na płycie grzejnej, która może osiągnąć temperaturę do 250 °C, aby umożliwić zarządzanie temperaturą podczas procesu osadzania.
  4. Zespół stojaka do osadzania w fazie gazowej
    1. Opracuj stojaki do osadzania dla projektu zgodnie z projektami dla dwóch projektów stojaków do osadzania opisanych poniżej.
    2. Zbuduj stojak do osadzania generacji 1 (G1) pokazany na Rysunek 5A, owijając cztery pionowe nogi wykonane ze stali nierdzewnej folią aluminiową, aby zapobiec zanieczyszczeniu.
    3. Połącz pionowe nogi z poziomymi prętami na górze i na dole, tworząc pustą strukturę przypominającą sześcian dla stabilności.
    4. Owiń trzy poziome druty miedziane wokół nóg, aby utworzyć trzy poziomy lub poziomy do zawieszania kuponów.
    5. Upewnij się, że stojak G1 jest kompaktowy, mieści się w komorze obróbczej i pozwala na łatwy montaż i demontaż.
    6. Zbuduj konfigurację generacji 2 (G2), pokazaną na Rysunek 5B, używając stali nierdzewnej zapewniającej trwałość i odporność na korozję. Schematy inżynieryjne dla tego systemu znajdują się w pliku uzupełniającym 1. Zaprojektuj stojak G2 z okrągłą podstawą i górną płytą połączoną czterema pionowymi prętami, które zapewniają stabilność i wsparcie. Wyposaż pręty pionowe w regulowane zaciski, aby umożliwić dostosowanie wysokości między podstawą a górną płytą. Zainstaluj okrągłą tacę z siatki drucianej wykonaną ze stali nierdzewnej do zawieszania kuponów.
    7. Zapewnij precyzyjną kontrolę nad położeniem elektroprzędzonych kuponów podczas procesu osadzania, aby zapewnić równomierną ekspozycję na fazę parową.

2. Osadzanie w fazie gazowej

  1. Osadzanie FeCl3 na kuponach PAN
    1. Zważ kupony PAN. Osadzać FeCl3 (utleniacz) na kuponach PAN (co najmniej trzy kontrpróby na warunek) poprzez moczenie ich w wodnych roztworach FeCl3 o różnych stężeniach, w zakresie od 1 M do 5 M, przez 30 min.
      UWAGA: Zachowaj ostrożność podczas obchodzenia się z chlorkiem żelaza (bezwodnym), ponieważ jest to środek drażniący, który może spowodować poważne uszkodzenie oczu.
    2. Przenieś kupony na chusteczki papierowe o niskiej zawartości kłaczków, aby ułatwić suszenie osmotyczne, zastępując chusteczki 2x.
    3. Zawiń kupony w chusteczki i umieść je w dygestoriach na 24 godziny, aby zakończyć pierwszy etap procesu suszenia.
    4. Zważ kupony PAN po 24 godzinach i zapisz utratę wagi. Zawieś kupony PAN, zaczepiając je o metalową tackę drucianą przygotowaną w kroku 1.4.9.
    5. Umieść zlewkę o pojemności 500 ml zawierającą suchy środek osuszający chlorek wapnia na dnie zestawu. Umieść cały zestaw w komorze próżniowej.
    6. Zainicjuj podciśnienie, włączając pompę i pozostawiając otwarty zawór podciśnieniowy w celu ciągłego usuwania powietrza, efektywnie wykorzystując system próżniowy jako eksykator. W tym przypadku wydajność pompowania wynosiła 85 l/min. Próżnia końcowa osiągnięta przez tę pompę i konfigurację wynosiła około 8000 Pa.
    7. Monitoruj utratę wagi kuponów w odstępach 1 godzin, 2 godzin, 3 godzin, 24 godzin, 48 godzin i 72 godzin.
  2. Osadzanie PEDOT na kuponach PAN
    1. Zaczep i zawieś kupony PAN na zestawie stojaka na kupony.
    2. Zawiesić kupony w systemie próżniowym wraz z otwartym szklanym pojemnikiem zawierającym około 4 g monomeru (EDOT). Ustaw temperaturę płyty grzejnej na 55 °C.
    3. Otwórz zawór między komorą a pompą próżniową i opróżnij komorę, aż do osiągnięcia żądanej próżni (8000 Pa). Następnie zamknij zawór, pozostawiając komorę pod próżnią.
    4. Pozwól, aby proces osadzania się z fazy gazowej zachodził przez 2 godziny. Po 2 godzinach otwórz zawór spustowy podciśnienia, aby pobrać kupony pokryte PEDOT.
  3. Pranie kuponów
    1. Wyjmij kupony pokryte polimerem z komory VPD i przenieś je do komory myjącej.
    2. Umieść kupony nad otworem porcelanowego lejka wyłożonego okrągłą bibułą filtracyjną o średnicy 5,5 cm i wielkości porów 180 μm, jak pokazano na Rysunek 6.
    3. Przemyć każdą partię trzech kuponów o określonym stężeniu razem, aby usunąć pozostałości FeCl3, rozpylając metanol na kupony za pomocą butelki ze spryskiwaczem.
    4. Zapewnić dokładne usunięcie pozostałości FeCl3 poprzez zwiększenie objętości metanolu o wyższych stężeniach, aby skutecznie rozpuścić i zmyć resztki utleniacza i monomeru. Użyj około 200 ml metanolu do kuponów zanurzonych w 1 M FeCl3. Zwiększ ilość metanolu o 50 ml dla każdego wyższego poziomu stężenia (np. 250 ml dla 2 M, 300 ml dla 3 M).
    5. Po umyciu pozostaw kupony do wyschnięcia pod maską na 30 minut, a następnie wysusz w eksykatorze ze środkiem osuszającym w temperaturze pokojowej przez 1 godzinę, a na koniec przechowuj je w szklanych fiolkach.
  4. Czyszczenie komory VPD i pompy
    1. Przepłukać komorę CVD acetonem, aby rozpuścić nieprzereagowany monomer. Płuczkę należy wyrzucić do pojemnika na odpady organiczne.
    2. Komorę umieścić w pustym dygestorium i podgrzewać w temperaturze 30 °C przez 1 godzinę. Zanurzyć komorę w roztworze detergentu na 24 godziny, a następnie wyrzucić detergent.
    3. Ogrzewać komorę z lekko uchyloną pokrywą w temperaturze 200 °C przez 24 godziny. Wykonać kolejną rundę natryskiwania acetonem i suszyć komorę w dygestorium w temperaturze 30 °C przez 1 godzinę.
    4. Wymieniaj olej w pompie po każdej partii osadzania monomeru, aby zachować integralność eksperymentu.

3. Charakterystyka próbek

  1. Analiza SEM maty z nanowłókien
    1. Przymocuj próbki PAN, PAN+FeCl3 i PAN+FeCl3+PEDOT do aluminiowych króćców za pomocą taśmy węglowej.
    2. Zobrazuj próbki w powiększeniu 5000x, używając plamki o wielkości 4,5 nm i napięcia przyspieszającego 20 kV. Dostosuj parametry obrazowania w razie potrzeby, aby zbadać morfologię próbki.
    3. Użyj funkcji pomiaru, aby określić średnice włókien. Wykonaj 12-15 pomiarów dla próbki.
    4. Przeprowadzić analizę spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDS) zgodnie ze standardowymi procedurami operacyjnymi instrumentu SEM. Uzyskać procentową zawartość atomową i procentową masę pierwiastków znajdujących się w próbkach.
  2. Analiza mechaniczna
    1. Wycinane laserowo ramy kartonowe 40 mm x 40 mm z wyśrodkowanymi otworami okiennymi 20 mm x 20 mm.
    2. Za pomocą żyletki precyzyjnie wytnij paski próbki z nanowłókien o wymiarach 10 mm x 40 mm, przy czym krawędź 40 mm jest równoległa do kierunku formowania elektroprzędzonych nanowłókien.
    3. Zmierz grubość (mm) każdego paska za pomocą suwmiarki cyfrowej w pięciu miejscach wybranych wokół środka próbki, w których próbka nie stykałaby się z ramką i mniej więcej w równych odległościach od siebie. Przyjmij średnią jako grubość. Zmierz wagę (g) każdego paska.
    4. Kondycjonować próbkę przez wysuszenie (eksykator próżniowy wypełniony siarczanem wapnia) lub moczenie w roztworze soli fizjologicznej buforowanym fosforanami (10 x PBS) przez 72 godziny.
    5. Próbki nasączone PBS należy nanieść na niestrzępiące się chusteczki higieniczne. Nałóż próbkę polimeru o wymiarach 10 mm x 40 mm na ramę o wymiarach 40 mm x 40 mm i przyklej ją taśmą w celu włożenia do testera rozciągania.
    6. Załadować ramę i próbkę do testera rozciągania i przeprowadzić próbę w temperaturze pokojowej i z żądaną szybkością odkształcania (0,8 s-1). Wyjście będzie w mocy i przemieszczeniu.
    7. Przelicz siłę i przemieszczenie na naprężenie-odkształcenie. Obliczyć gęstość próbki na podstawie wymiarów i masy próbki. Aby obliczyć naprężenie, podziel dane dotyczące siły zebrane przez tester rozciągania przez pole przekroju poprzecznego próbki, a następnie pomnóż zarówno przez gęstość maty włóknistej, jak i długość miernika użytą podczas testowania.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

W tej pracy, elektroaktywne, pokryte polimerem nanowłókna PAN są wytwarzane metodą elektroprzędzenia w celu uzyskania wysoce porowatych, ale wytrzymałych materiałów, które mogą być używane jako filtry, absorbenty i fotokatalizatory do oczyszczania wody, podłoża do elektrokatalizy oraz rusztowania/matryce do inżynierii tkankowej, regeneracji nerwów, dostarczania leków i biodetekcji. Aby nadać tym materiałom właściwości elektroaktywne, nanowłókna PAN są powlekane EAP PEDOT metodą chemiczneg...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

W niniejszej pracy opisano protokoły elektroprzędzenia mat z nanowłókien z polimerów towarowych, powlekania tych nanowłókien polimerami elektroaktywnymi metodą polimeryzacji oksydacyjnej w fazie gazowej oraz charakterystyki właściwości chemicznych i mechanicznych tych materiałów.

Elektroprzędzenie stało się użytecznym narzędziem do wytwarzania materiałów o dużej powierzchni do szeregu zastosowań, od biomedycyny po zrównoważony rozwój i elektronikę 1,2

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była częściowo wspierana przez National Science Foundation Partnership for Research and Education in Materials (DMR#2122041) oraz Fundację Alfreda P. Sloana (# G-2022-19553) Texas State University/University of Colorado Boulder Sloan Undergraduate Research Program.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
10XPBS Thermo Fisher ScientificBP399-1Służy do naśladowania warunków soli i wilgotności in vivo
AcetonThermo Scientific A412P4Służy do czyszczenia komory VPD 
DMFEMD Milipore CorporationDX1727-6Stosowany jako rozpuszczalnik do przygotowania roztworów PAN
EDOTTCIE0741Elektroaktywny monomer używany do osadzania polimeru na kuponach PAN
Aparat do elektroprzędzeniaSprayBaseES30N-5WUżywany do produkcji nanowłókien PAN
FeCl3Thermo Scientific   12357.22Stosowany do polimeryzacji poprzez chemiczne utlenianie monomerów elektroaktywnych
Bibuła filtracyjna (180 μ m)  VWR28310-015Używany do filtracji 
Zasilacz wysokonapięciowyGammaES30N-5W15KV-20KV. W tym eksperymencie użyto 18,9KV.
Płyta grzejnaCorningPC420DSłuży do ogrzewania komory próżniowej
MetanolFischer ChemicalA412-4Służy do usuwania FeCl2 i FeCl3 z igły PAN pokrytej EAP
BDYale51109820G
PAN w proszkuAmbeedA971305Służy do otrzymywania nanowłókien PAN. Średnia MW 150 000 g/mol.
Rurki PTFEMicrosolv Tech Corp.49210-20-C0,8 mm ID, 1,6 mm OD
PompaKozyvacuZK220419Służy do wytwarzania podciśnienia wewnątrz komory
StrzykawkaAir-Tite23122010 mL, jednorazowa strzykawka
Pompka strzykawkowaNew EraNE-300Natężenie przepływu 0,04 mL/min
Komora próżniowa z manometramiBAC EngX002APOXUR
Papier woskowanyReynolds KitchenCM-3CY-06KRSłuży do pokrywania metalowego bębna i zbierania nanowłókien PAN

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Nanow kna elektroprz dzonenanow kna z poliakrylonitrylupow oka z PEDOTchemiczne osadzanie z fazy gazowejutleniacz z chlorku elaza IIIpolimery elektroaktywneskaningowa mikroskopia elektronowaspektroskopia rentgenowska z dyspersj energiimateria y do oczyszczania wody

Powiązane artykuły