Trojbodové ohýbání jednoduchého polymeru / anorganické kompozitní nanovlákna

  Čistý polyvinyl-acetátový (PVAc) nanovláknový a kompozitní nanofiber PVAc / oxid titaničitý (TiO2) byly připraveny sol-gel procesem s elektrospinningem. Účinek zvýšení obsahu TiO2 na distribuci průměru, morfologii povrchu,a modul pružnosti nanovláken byl charakterizován pomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) a mikroskopu pro atomovou sílu (AFM) vybaveného pikoforézou. SEM obrazy ukázaly, že průměrný průměr kompozitních nanovláken klesals nárůstem TiO2. Tříbodový ohybový test ukázal, že elastický modul PVAc / TiO2 nanovláken významně vzrostl s tím, že TiO2 vzrostl.

Úvod

  Po desetiletí jsou polymery nanovlákna známé díky svým pozoruhodným vlastnostem, jako jsou velmi malé průměry, velmi vysoký povrch na jednotku hmotnosti, malou velikost pórů a vysokou pórovitost. Díky těmto vynikajícím vlastnostem je polymer(Bhattarai, Yi, Hwang, Chad, & Kim, 2004; Li, Li, Ying, & Yang, 2009; Veleirinho & Lopes-da-Silva,2009; Zhao, Gou, Bietto, Ibeh & Hui, 2009). Electrospinning byl uznán jako jednoduchá a všestranná technika pro přípravu nanovláken z různých materiálů. Polymerní nanovlákna však nejsou dostatečně silné pro některé speciálníaplikací. Bylo prokázáno, že polymer / anorganická nanovlákna může být snadno syntetizována použitím kombinace sol-gel procesů elektrospinování. Od zavedení anorganických nanočástic, polymerních nanovlákenmají výhodu anorganických materiálů, jako je vysoká pevnost, tepelná a chemická stabilita (Chronakis, 2005). Pro zkoumání vlivu anorganických složek na mechanické vlastnosti polymerních nanovláken několik(Agic & Mijovic, 2005; Hasan, Zhou, & Jeelani, 2007; Rohatgi a kol., 2008). Nicméně mechanická charakteristika jediného nanovláken je stále ve fázi průzkumu.

  V této práci byly vyrobeny kompozitní materiály z polyvinyl-acetátu (PVAc) / oxid titaničitý (TiO2) s nanovlákennou strukturou elektrospinováním. Byla indikována vláknitá struktura a průměrná distribuce PVAc / TiO2 nanovlákenpomocí skenovacího elektronového mikroskopu (SEM). Morfologie povrchu a modul pružnosti jednotlivých PVAc / TiO2 nanovláken byly zkoumány pomocí mikroskopu pro atomovou sílu (AFM) vybaveného pikoforckou.

  Materiály a metody

  Syntéza kompozitních nanovláken z PVAc / TiO2

Jako prekurzor oxidu titaničitého byl použit roztok tetrabutyltitanátu (Ti (OC4H9) 4). Použité ethanol a aceton byly analytickéškolní známka. Jako inhibiční činidlo pro hydrolýzu TBT byl použit diethanolamin v chemicky čisté kvalitě. Diethanolamin 0,5 ml a 0,003 mol Ti (OC4H9) 4 se přidá k 14,0 ml ethanolu za stálého míchání (roztok A)zatímco 1,0 ml destilované vody bylo přidáno do jiné14,0 ml ethanolu (roztok B). Roztok B byl potom po kapkách přidáván do roztoku A za intenzivního míchání po dobu 5 hodin při teplotě místnosti. Po rovnoměrném míchání byl získán sol TiO2. Roztok PVAc s koncentrací 13% hmotnpřipravené rozpuštěním částic PVAc v acetonu. Do acetonového roztoku PVAc se přidalo řízené množství připraveného solného oxidu titaničitého a poté reagovalo při teplotě místnosti po dobu 24 hodin. Takže tři překládají kompozitní roztok PVAc / TiO2byly získány vzorky s různým obsahem oxidu titaničitého (0, 0,5 a 1% hmotn.). Při elektrospinningovém procesu byl na roztok obsažený v injekční stříkačce aplikován vysokonapěťový výkon (20 kV) skrze aligátorovou sponu připojenou ke stříkačcejehla. Roztok byl dodán do tupého jehlicového hrotu pomocí mikroinfúzního čerpadla (WZ-50C2, Zhejiang, Čína) pro řízení průtoku roztoku v 0,5 ml / h. Elektrosponované vlákna se shromáždily na hliníkových fóliích a mřížkách. ProPro vzorky byly označeny jako P / T0,5% pro PVAc / TiO2 s obsahem 0,5% hmotn. TiO2 a P / T1,0% pro PVAc / TiO2 s obsahem 1,0% hmotn. Ti02.

  Charakterizace

  Vláknité struktury nanovláken byly pozorovány s použitím SEM (HITACHI S-4800, Japonsko) po zlatém povlaku. Průměrný průměr vláken nanovláken se změřil softwarem Photoshop CS3. AFM skenování byloprovedené na CSPM4000 AFM (Benyuan Co. Ltd., Čína) vybavené pikovou silou. Frekvence skenování byla nastavena na 1,0 Hz. Morfologie povrchu nanovláken byla analyzována na základě pozorování AFM.

Tříbodový ohybový test

  Tříbodový ohybový test nanometrů byl proveden pomocí špičky konzoly AFM, aby se aplikovalo zatížení přes středové rozpětí jednovláknové nanovláken zavěšené nad drážkou pro mřížky o velikosti mikroprofilu. Konzolová špička s pružinovou konstantou0,35 N / m. Měřením malého vychýlení nanovláken a aplikované síly a použitím teorie ohýbání paprsku lze dosáhnout mechanických vlastností jediného nanofiberu. Průměrné průměry vybraných vzorků jsoupřibližně v násobcích 50 nm pro kontrast. Z důvodu náhodného rozdělení průměrů nanovláken je průměrný modul pružnosti vypočtený v určitém průměru průměrná hodnota 10 blízkých vzorků, např. elastickémodulu PVAc nanofiberu při 400 nm je průměrná hodnota 10 vzorků v rozmezí 400-10 nm.

 Výsledky a diskuse

Vláknitá struktura a distribuce průměru nanovláken PVAc / TiO2 byly zkoumány za použití SEM a mapovacího softwaru, jak je znázorněno na obr. 1. Z obrázku je patrné, jak se tvoří vláknité struktury a zda jsou nanovláknanáhodně distribuované na kolektoru. Obrazy na obrázku 1 také ukazují, že průměrný průměr elektrosponových nanovláken PVAc / TiO2 významně klesá, jak se zvyšuje množství TiO2, od 585 do 287 nm. Vypadá to žeprůměrná distribuce kompozitních nanovláken na obr. 1 (b) (100-700 nm) a obrázek 1 (c) (100-500 nm) se stává rovnoměrnější než rozdělení PVAc nanovláken na obrázku 1 (a) (200-1000 nm).

  Obrázek 2 ukazuje povrchovou morfologii jediného nanočástice PVAc / TiO2 s různým obsahem TiO2. Struktury podobné částicím obklopující nanovlákno na obr. 2 jsou povrchová morfologie hliníkových fólií. Jak je znázorněno na obrázku2, složení oxidu titaničitého výrazně mění vlastnosti povrchu

Obrázek 1. SEM obrazy a histogramy distribuce průměru (a) PVAc, (b) P / T0,5% a (c) P / T1,0% nanovlákna.

Obrázek 2. Povrchová morfologie jednotlivých nanovláken: (a) PVAc, (b) P / T0,5% a (c) P / T1,0%.

nanočástice PVAc. Obrázek AFM na obrázku 2a ukazuje, že PVAc nanofiber má poměrně hladký a rovnoměrný povrch. Kompozitní nanovlákna na obr. 2 (b) odhaluje nerovnoměrnou povrchovou strukturu vrásek. Jako obsah TiO2zvýšené na 1% hmotn., složená nanovlákna (na obr. 2 (c)) představovala drsnou plochu s částicovitými strukturami podél osy vláken. Z analýzy SEM a AFM lze konstatovat, že zvýšení obsahu TiO2 nejenovlivňuje jemnost a rozložení průměrů, ale také zjevně mění povrchovou morfologii PVAc nanovláken.

  Mechanické vlastnosti elektrosporných nanovláken PVAc / TiO2 byly měřeny pomocí AFM na základě tříbodového ohybového testu. Schéma tříbodové ohýbací metody je znázorněno na obrázku 3 (a). V této technice je vláknozavěšený přes mezeru roštu. Hrot AFM naráží na vlákno, což způsobuje deformaci. Modul měřený tímto způsobem je celá vlastnost celého vlákna a lze jej získat ze silové křivky AFMsonda. Obrázek 3 (b) představuje typickou křivku síly a vzdálenosti AFM, ve které jsou zahrnuty dostatečné informace o povrchových silách. Křivka se skládá ze šesti stupňů: (1) od A do B, skener se rozšiřuje a špička se přiblíží(2) od B do C, přičemž špička je tažena dolů, deformace klesá kvůli atrakcím tipů dlouhého a krátkého dosahu, (3) od C do D, jako špička se dotýká povrchu, sílypůsobí na vlákno a konzola se ohne směrem vzhůru, (4) od D do E, snímač odebere ze vzorku, když dosáhne bodu E, sílu vzhůru rovnou přitahování vzorku špičky, (5) od E do F, Konzol je náhle odskočenprotože zasunutí skeneru pokračuje, a

  (6) od bodu F do bodu A, v určité vzdálenosti se špička oddělí od vzorku a konzola se vrátí zpět do svého nenarušeného stavu. Všechny následující parametry jsoutestovány v procesu rozšíření. Zjišťovat vertikální posunutí AFM piezo, Z-Z0 a průhyb konzoly, Zc, vertikální deformace vlákna, lze vypočítat (Rovnice (1)) Tombler et al., 2000)

  Modul pružnosti nanovláken byl vypočítán z teorie ohýbání paprsku danou rovnicí (2), kde F je použitá síla, L je zavěšená délka, I je druhý moment plochy nosníku (kde I = Lim, 2004) . Může to být takéjak je vidět na obrázku 4 (vložka), že všechny tři druhy nanovláken v rozmezí 350-500 nm byly získány z datových bodů. Zvětšený obraz ukazuje, že modul pružnosti se zvyšuje s nárůstem obsahu TiO2, kterýukázalo, že bez ohledu na rozdíl průměrů, zavedení TiO2 zlepšilo pevnost v ohybu PVAc nanovláken. Rovnice (3) - (5) znázorňují třístupňový proces hydrolýzy Ti (OC4H9) 4 pro sol TiO2(R je terc-butoxykarbonylová skupina)

(4)(F = kZc, kde k je konstanta pružiny konzoly).

  Účinnost obsahu TiO2 na modul pružnosti PVAc / TiO2 nanovláken byla vypočítána a shrnutá na obr. 4. Jak je zřejmé z obr. 4, modul pružnosti PVAc, P / T0,5% a P / T 1,0% nanovlákna se zmenšují jako průměryzvyšuje. Předpokládá se, že pokles pružného modulu lze připsat skutečnosti, že smykové deformace se stávají důležitým faktorem při relativně nízkých poměrech délky k průměru (Tan & n CH3CH2CH2CH2OH.

(5)Jak je patrné z rovnic (3) - (5), v procesu hydrolýzy se generuje velké množství - OH. Když byl TiO2 sol mísen s PVAc roztokem, vytvořily se některé sekundární vazby nebo interakční síly mezi molekulárním (-OH) a molekulou PVAc (C = O) během procesu tvorby polymer / anorganické sítě, což vedlo k zesílení nanovláken.

Obrázek 3. Schéma metody tříbodového ohýbání (a) a metody křivky síla-vzdálenost (b).

Obrázek 4. Účinnost obsahu TiO2 (0% hmotn., 0,5% hmotn. A 1,0% hmotn.) Na modul pružnosti (E) PVAc / TiO2 nanovláken.

Závěr

  Tato studie zkoumala vliv organického / anorganického kompozitu na pružný modul nanovláken. Nanovlákna PVAc a PVAc / TiO2 byly vyrobeny metodou sol-gel a elektrospinningu. Zkouška SEM byla odhalenaže průměrný průměr nanovláken klesal s tím, jak se TiO2 zvýšil. Z AFM snímků bylo zjištěno, že vzrůstající TiO2 vedlo k tvorbě drsného povrchu nanovláken. Výsledky analýzy ohybové vlastnosti ukázaly, žeelastický modul obou PVAc a PVAc / TiO2 nanovláken klesal s nárůstem průměrů, protože menší průměry mají větší rozsah poklesu. Přidání solí TiO2 k matrici PVAc výrazně zvýšilo modul pružnostinanovlákna.