聚丙烯腈纳米纤维的电纺丝及有限元法模拟电场

文件类型:原始研究文章

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1 德黑兰医科大学(TUMS)医学先进技术学院医学纳米技术系,伊朗德黑兰。

2 伊朗德黑兰大学生物化学与生物物理研究所膜生物物理与大分子实验室。

3 伊朗德黑兰沙希德贝什蒂大学激光与等离子体研究所。

抽象

目标:由于电场是静电纺丝系统的主要驱动力,因此电场分布的建模和分析对于纳米纤维的生产至关重要。这项研究的目的是建立电场模型,并研究聚丙烯腈(PAN)纳米纤维的形态和直径的各种参数。
方法: 通过有限元方法评估喷嘴和静电纺丝区的电场分布。通过扫描电子显微镜(SEM)检查了纳米纤维的形态和直径。
结果: 电场分析的结果表明,电场集中在喷嘴的尖端。此外,在纺丝方向上,电场集中在喷丝头的表面,并朝集电体的表面迅速衰减。聚合物溶液浓度从7wt。%增加到11wt。%导致纳米纤维直径从77.76增加± 19.44 to 202.42 ± 36.85.
结论: 根据我们的结果,可以得出结论,喷嘴尖端的电场集中度很高,并且会引发射流和纳米纤维的形成。 PAN纳米纤维可以转化为在生物医学中有多种应用的碳纳米纤维。 

图形概要

聚丙烯腈纳米纤维的电纺丝及有限元法模拟电场

关键词


介绍

具有巨大的比表面积,小孔径,高孔隙率和纤维直径的纳米纤维为它们在许多领域的使用提供了巨大的机会。纳米纤维的生产可以使用不同的方法,例如熔体纺丝,强力纺丝,自组装,电吹气,模板合成和电纺丝。静电纺丝作为一种经济高效,通用,简单且灵活的方法,在微米级和纳米级纤维的制备上引起了许多关注(1-4)。电纺纳米纤维具有多种潜在应用,包括组织工程,伤口敷料,药物输送,传感器,阻隔织物,过滤,催化剂和酶载体,能量存储以及其他领域(5-11)。可以通过电纺丝生产具有不同种类组成的纳米纤维,例如天然和合成聚合物,金属和陶瓷。12)。可以使用电纺丝方法制备不同的形态,例如芯鞘,多孔表面和并排纳米纤维13-16)。

通常,典型的静电纺丝设备包括三个主要部分。喷嘴,导电旋转收集器和高压源,以在收集器和喷嘴之间形成高电场(17)。在静电纺丝过程中,聚合物溶液通过喷嘴(金属毛细管)送入,并在施加的电压作用下,在喷嘴尖端形成聚合物射流/长丝(18)。已经证实,电场作为静电纺丝中的主要驱动力,对纳米纤维的形成,生产率和形态具有很大的影响。但是,由于所涉及的高压,很难直接测量静电纺丝装置的电场分布。然后,建模方法对于了解电纺过程中的电场分布可能很有用。 静电纺丝框架中电场分布的评估是通过有限元方法(FEM)指导的,该方法是一种用于发现不完整微分条件方程(PDE)解的数值技术。它提供了一种查看高电场的方法。由于可以将实际尺寸和材料属性用于FEM计算,因此可以设想电场分布并理解材料特性,尺寸和物理几何形状的影响。除了施加的电压外,其他涉及的参数(例如聚合物溶液浓度和喷嘴到收集器的距离)对纳米纤维的性能也有至关重要的影响。如果聚合物溶液的浓度非常低,则由于粘度低和表面张力高,会发生电喷雾而不是电纺,并且会产生微米(纳米)粒子而不是纤维。由于聚合物溶液的浓度非常高,因此将获得螺旋形的微带。当聚合物溶液合适时,可以形成光滑的纳米纤维(19-21)。  喷嘴到收集器的距离是影响纳米纤维形态和直径的另一个参数。在短距离内,纳米纤维无法在到达收集器之前固化,而在长距离内,会产生串珠状纳米纤维(22, 23)。

在本研究中,研究了电场分布以及各种静电纺丝工艺对纳米纤维直径和形态的影响。

 

材料和方法

聚丙烯腈(PAN)(MW:80,000g / mol)购自聚丙烯公司(伊朗)。二甲基甲酰胺(DMF)获自Merck Company。 PAN / DMF溶液是通过将PAN在60°F的DMF中溶解来制备的º在连续剧烈的磁力搅拌下于110℃保持澄清的溶液。

 

电场分析

在静电纺丝设置中施加的电场的状态和电势轮廓由COMSOL3.5证明,COMSOL3.5是基于FEM的程序,用于网格化和求解。静电纺丝成分的物理特性包括:根据它们的大小,相对介电常数,尺寸和在系统中的位置确定聚合物溶液,喷嘴和收集器。集电极和无限距离处的边界定义为零电势,其他设置为连续性。电场分布使用拉普拉斯方程计算,因为系统内没有电荷。边界条件是根据系统参数确定的。

 

静电纺丝

使用基于针的电纺丝设备(伊朗德黑兰的Fanavaran Nano Meghyas Ltd.,Co。)对PAN溶液进行电纺。使用电子控制的进样模块,将PAN溶液注入钝化的18 gague不锈钢针头的喷嘴尖端。在喷嘴和收集器之间以20 kV的高压施加电场,以引导和加速PAN溶液朝向收集器的喷射流。

 

纳米纤维的表征

在用金溅射之后,通过SEM(Philips XL-30,在20kV)揭示了纳米纤维的形态。纳米纤维的平均直径通过图像计算‏J(1.47v,美国国立卫生研究院)软件。

 

结果与讨论

电场分析

电场作为纳米纤维形成的主要驱动力,对纳米纤维的形成和形态有很大的影响。在这方面,了解电场的分布对于静电纺丝系统中适当的纳米纤维加工至关重要。有限元分析用于计算喷嘴表面和静电纺丝区域(从喷嘴的尖端到集热器)的电场强度,以了解静电纺丝的结果(图1和2)。

如图1所示,电场强度矢量对称分布,电场线集中在电纺喷嘴周围,电场强度的方向朝向集电体。围绕喷嘴并远离喷嘴一点的电场强度值是相同的,这对于产生稳定的射流至关重要。 在图2中示出了在各种施加电压下在静电纺丝方向上的电场分布。

图2显示了在不同施加电压下静电纺丝系统中静电纺丝方向(从喷嘴到集热器)的电场强度。最高的电场强度在喷嘴的表面,并在朝着集电体表面旋转的方向上迅速衰减。

 

静电纺丝工艺

考虑施加的电压,聚合物浓度以及喷嘴和收集器之间的距离来进行电纺,以调整纤维的形成和形态。表1总结了本研究中进行的实验,以研究不同的静电纺丝参数对PAN纳米纤维直径和形态的影响。

表1总结了不同的电纺参数对针电纺系统中纳米纤维形态和直径的影响。

聚合物溶液的浓度是最重要的参数,它对纳米纤维的直径,形态和电纺丝工艺有很大影响。 PAN浓度的增加导致形成均匀且无珠的纳米纤维(图3)。

将聚合物浓度从7增加到9和11wt。%将纤维直径从77.76增加± 19.44 to 115.77±29.10 and 202.42 ±分别为36.85(图4(a))。先前的研究表明,纳米纤维直径与聚合物溶液浓度之间存在直接关系(24-26)。聚合物溶液浓度通过粘度控制聚合物链的迁移率和缠结。在低粘度聚合物溶液中,聚合物下巴更具柔韧性,而聚合物链的缠结度低,从而在静电纺丝过程中和薄纳米纤维的生产中,在电场作用下聚合物具有更大的柔韧性(27, 28)。此外,在极低粘度的聚合物溶液中不能形成连续,无珠子的光滑纤维,而喷嘴和聚合物溶液中的射流难以喷射是极高粘度的结果。换句话说,对于合适的电纺丝和纳米纤维,需要粘度的最佳值。在低粘度溶液中,表面张力是主要因素,只能形成微米/纳米颗粒和串珠纤维。可以简单地通过聚合物溶液的浓度来调节粘度。

施加电压是电纺丝系统中影响纳米纤维形成和形态的其他重要参数。需要高于临界值的高压才能在喷嘴表面形成喷嘴/纤维。临界值为11 kV,在这些值以下不能形成喷嘴/细丝。

图4(b)和图5显示了施加电压对PAN纳米纤维直径和形态的影响,其中PAN溶液浓度为7 wt%,施加电压从15 kV增加到25 kV,而其他参数不变。将施加的电压从15 kV增加到25 kV导致形成平均直径为60.96的纳米纤维±25.11 to 79.91 ±29.94。纳米纤维直径的增加可归因于聚合物从喷嘴到集热器表面的加速运动以及聚合物射流的更快拉伸,从而导致形成了直径更大的纳米纤维(29, 30)。

除了静电纺丝工艺外,施加的电压还影响了纳米纤维的形貌。图5显示了在不同施加电压下由7wt。%PAN溶液电纺纳米纤维的形态。

如图5所示,施加的电压从15kV增加到25kV导致形成均匀的纳米纤维并且沿着纳米纤维的珠粒减少。

 

结论

据我们所知,电纺参数和电场分布在电纺系统,PAN纳米纤维的形态和直径方面起着重要作用。电场建模表明,在静电纺丝方向上,喷嘴表面具有最大浓度的电场线,该电场线在朝集电极表面旋转的方向上迅速衰减。针电纺丝系统的临界电压为11kV,低于此施加电压,纳米纤维不会产生。我们的实验结果表明,提高PAN聚合物溶液的浓度会增加纳米纤维的直径,并减少珠子。 PAN纳米纤维可以通过热处理转化为碳纳米纤维。碳纳米纤维在生物医学中有各种应用,例如生物传感,组织工程,过滤和导电复合材料。

致谢

该项目得到了德黑兰医科大学(TUMS)的资助,授权号94-02-87-28669

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突。

 

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