Nanoescala de tres puntos de flexión de polímero único / nanofibra compuesta inorgánica

  La nanofibra pura de acetato de polivinilo (PVAc) y la nanofibra compuesta de PVAc / dióxido de titanio (TiO2) se prepararon mediante un proceso de sol-gel con electrospinning. El efecto de aumentar los contenidos de TiO2 en la distribución del diámetro, la morfología de la superficie,y el módulo de elasticidad de las nanofibras se caracterizó utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) y un microscopio de fuerza atómica (AFM) equipado con picoforce. Las imágenes SEM mostraron que el diámetro promedio de nanofibras compuestas disminuyóCon el aumento de TiO2. La prueba de flexión de tres puntos indicó que el módulo elástico de la nanofibra PVAc / TiO2 aumentó significativamente a medida que aumentaba el TiO2.

Introducción

  Durante décadas, las nanofibras de polímeros se han conocido por sus propiedades notables, como diámetros muy pequeños, área de superficie muy alta por unidad de masa, tamaño de poro pequeño y alta porosidad. Debido a estas excelentes propiedades, el polímerolas nanofibras se han utilizado para una amplia gama de aplicaciones tales como ingeniería de tejidos, medios de filtración, ropa protectora y sensores (Bhattarai, Yi, Hwang, Chad, 2004; Li, Li, Ying, Yang, 2009; Veleirinho y Lopes-da-Silva,2009; Zhao, Gou, Bietto, Ibeh, & Hui, 2009). El electrospinning ha sido reconocido como una técnica simple y versátil para preparar nanofibras a partir de una variedad de materiales. Sin embargo, las nanofibras de polímeros no son lo suficientemente fuertes para algunos productos especiales.aplicaciones Se ha demostrado que el polímero / la nanofibra inorgánica se puede sintetizar fácilmente utilizando una combinación de métodos de electrospinning de proceso sol-gel. Desde la introducción de nanopartículas inorgánicas, nanofibras de polímeros.Lleva la ventaja de los materiales inorgánicos, como la alta resistencia, la estabilidad térmica y química (Chronakis, 2005). Con el fin de investigar el efecto de los componentes inorgánicos en las propiedades mecánicas de las nanofibras de polímeros, varioslos métodos de prueba fueron desarrollados por investigadores (Agic & Mijovic, 2005; Hasan, Zhou, & Jeelani, 2007; Rohatgi et al., 2008). Sin embargo, la caracterización mecánica de la nanofibra única todavía se encuentra en una etapa de exploración.

  En el presente trabajo, el material compuesto de acetato de polivinilo (PVAc) / dióxido de titanio (TiO2) con estructura nanofibrosa se preparó mediante electrospinning. Se indicaron la estructura fibrosa y la distribución del diámetro de las nanofibras de PVAc / TiO2.Por un microscopio electrónico de barrido (SEM). La morfología de la superficie y el módulo elástico de la nanofibra de PVAc / TiO2 individual se investigaron mediante el uso de un microscopio de fuerza atómica (AFM) equipado con picoforce.

  materiales y métodos

  Síntesis de nanofibras compuestas de PVAc / TiO2

  Se utilizó solución de titanato de tetrabutilo (Ti (OC4H9) 4) como precursor molecular de TiO2. El etanol y la acetona utilizados fueron analíticos.grado. La dietanolamina en grado químicamente puro se utilizó como agente inhibidor para el proceso de hidrólisis de TBT. Se añadieron dietanolamina de 0,5 ml y 0,003 mol de Ti (OC4H9) 4 a 14,0 ml de etanol con agitación constante (Solución A).mientras que 1.0 ml de agua destilada fue agregada a otro14,0 ml de etanol (Solución B). Luego, la solución B se añadió gota a gota a la solución A con agitación vigorosa durante 5 horas a temperatura ambiente. Después de una mezcla uniforme, se obtuvo el sol de TiO2. La solución de PVAc con una concentración del 13% en peso fuePreparado disolviendo las partículas de PVAc en acetona. Se añadió una cantidad controlada de sol de TiO2 preparado a la solución de acetona PVAc, luego se hizo reaccionar a temperatura ambiente durante 24 h. Por lo tanto, tres transpa alquiler PVAc / TiO2 solución compuestaSe obtuvieron muestras con diferente contenido de sol de TiO2 (0, 0.5 y 1% en peso). En el proceso de electrospinning, se aplicó una potencia de alto voltaje (20 kV) a la solución contenida en una jeringa a través de una pinza de cocodrilo unida a la jeringaaguja. La solución se envió a la punta de la aguja roma a través de una bomba de microinfusión (WZ-50C2, Zhejiang, China) para controlar el caudal de la solución en 0,5 ml / h. Las fibras electrohiladas se recolectaron en láminas de aluminio y rejillas. porPor conveniencia, las muestras se marcaron como P / T0.5% para PVAc / TiO2 con contenidos de TiO2 al 0.5% en peso y P / T1.0% para PVAc / TiO2 con contenidos de TiO2 al 1.0% en peso.

  Caracterización

  Las estructuras fibrosas de las nanofibras se observaron utilizando el SEM (HITACHI S-4800, Japón) después de un recubrimiento de oro. El diámetro medio de fibra de las nanofibras electrohiladas se midió mediante el software Photoshop CS3. El escaneo de AFM fuerealizado en un CSPM4000 AFM (Benyuan Co. Ltd., China) equipado con picoforce. La frecuencia de exploración se estableció en 1,0 Hz. La morfología de la superficie de nanofibras individuales se analizó en base a las observaciones de AFM.

Prueba de flexión de tres puntos

  La prueba de flexión de tres puntos a nanoescala se realizó utilizando la punta en voladizo AFM para aplicar una carga en el tramo medio de una nanofibra monocatenaria suspendida sobre una ranura de rejilla de tamaño micro. Una punta en voladizo con una constante de resorte deSe aplicó 0,35 N / m. Midiendo la pequeña desviación de la nanofibra y la fuerza aplicada, y utilizando la teoría de flexión de haz, se pueden obtener las propiedades mecánicas de una nanofibra única. Los diámetros de los especímenes seleccionados sonaproximadamente en múltiplos de 50 nm para contraste. Debido a la distribución aleatoria de los diámetros de las nanofibras, el módulo de elasticidad promedio calculado en un cierto diámetro es el valor promedio de 10 muestras cercanas, p. el elásticoel módulo de nanofibra de PVAc en 400 nm es el valor promedio de los 10 especímenes en el rango de 400-10 nm.

 Resultados y discusión

  La estructura fibrosa y la distribución del diámetro de las nanofibras de PVAc / TiO2 se investigaron utilizando SEM y el software de cartografía, como se ilustra en la Figura 1. Se observa en la figura cómo se forman las estructuras fibrosas y las nanofibras.Distribuido al azar en el colector. Las imágenes en la Figura 1 también indican que el diámetro promedio de las nanofibras PVAc / TiO2 electrospunadas disminuye significativamente a medida que aumenta la cantidad de TiO2, de 585 a 287 nm. Parece quela distribución del diámetro de las nanofibras compuestas en la Figura 1 (b) (100–700 nm) y la Figura 1 (c) (100–500 nm) se vuelve más uniforme que la de las nanofibras de PVAc en la Figura 1 (a) (200–1000 Nuevo Méjico).

  La Figura 2 revela la morfología de la superficie de una nanofibra de PVAc / TiO2 individual con diferentes contenidos de TiO2. Las estructuras similares a partículas que rodean la nanofibra en la Figura 2 son la morfología de la superficie de las láminas de aluminio. Como se ilustra en la Figura2, la composición del sol de TiO2 altera significativamente las características de la superficie

Figura 1. Imágenes SEM e histogramas de distribución de diámetros de (a) PVAc, (b) P / T0.5% y (c) P / T1.0% nanofibras.

Figura 2. Morfología de superficie de una nanofibra simple: (a) PVAc, (b) P / T0.5% y (c) P / T1.0%.

de la nanofibra PVAc. La imagen de AFM en la Figura 2a muestra que la nanofibra de PVAc tiene una superficie relativamente suave y uniforme. La nanofibra compuesta en la Figura 2 (b) revela una estructura de superficie de arrugas desigual. Como los contenidos de TiO2.incrementado a 1% en peso, la nanofibra compuesta (en la Figura 2 (c)) presentó una superficie rugosa con estructuras similares a partículas a lo largo del eje de la fibra. Del análisis SEM y AFM, se puede concluir que el aumento en los contenidos de TiO2 no soloinfluye en la fineza y la distribución de los diámetros, pero también altera la morfología de la superficie de las nanofibras de PVAc.

  Las propiedades mecánicas de las nanofibras de PVAc / TiO2 electrospun se midieron utilizando un AFM basado en la prueba de flexión de tres puntos. En la Figura 3 (a) se muestra un esquema del método de doblado de tres puntos. En esta técnica, una fibra essuspendido en el hueco de una rejilla. La punta del AFM incide en la fibra, causando la deformación. El módulo medido de esta manera es una propiedad completa de una fibra completa, y se puede obtener de la curva de fuerza-distancia del AFMsonda. La Figura 3 (b) presenta una curva de fuerza-distancia típica por AFM, en la que se incluye la información suficiente sobre las fuerzas de la superficie. La curva se compone de seis etapas: (1) de A a B, el escáner se extiende y la punta se acercala superficie de la muestra, sin interacción y sin desviación en voladizo, (2) de B a C, la punta que se está bajando, la desviación cae debido a las atracciones de punta-muestra de largo y corto alcance, (3) de C a D, como la La punta entra en contacto con la superficie, una fuerza.actúa sobre la fibra y el voladizo se dobla hacia arriba, (4) de D a E, el escáner se retrae de la muestra, cuando alcanza el punto E, la fuerza hacia arriba es igual a la atracción de la punta y la muestra, (5) de E a F, voladizo realiza un repentino rebotea medida que el escáner se retrae continúa, y

  (6) de F a A, a cierta distancia, la punta se separa de la muestra y el voladizo regresa a su estado no desviado. Todos los parámetros seguidos sonProbado en el proceso de extensión. Conociendo el desplazamiento vertical del piezo AFM, Z – Z0, y la desviación en voladizo, Zc, la deformación vertical de la fibra, se puede calcular (Ecuación (1)) Tombler et al., 2000)

  El módulo de elasticidad de las nanofibras se calculó a partir de la teoría de la flexión del haz dada por la Ecuación (2), donde F es la fuerza aplicada, L es la longitud suspendida, I es el segundo momento del área de la viga (donde I = Lim, 2004) . También puede sercomo se ve en la Figura 4 (recuadro), los tres tipos de nanofibras en el rango de 350 a 500 nm se han obtenido a partir de puntos de datos. La imagen ampliada revela que el módulo elástico aumenta con el aumento de los contenidos de TiO2, quedemostró que, sin tener en cuenta la diferencia de diámetros, la introducción de TiO2 mejoró la resistencia a la flexión de la nanofibra PVAc. Las ecuaciones (3) - (5) ilustran el proceso de reacción de hidrólisis de Ti (OC4H9) 4 en tres pasos para el sol de TiO2Preparación (R es un grupo terc-butoxicarbonilo)

(4)(F = kZc, donde k es la constante de resorte del voladizo).

  El efecto de los contenidos de TiO2 en el módulo elástico de la nanofibra PVAc / TiO2 se calculó y resumió en la Figura 4. Como se puede ver en la Figura 4, el módulo elástico de PVAc, P / T0.5% y P / T1.0% Las nanofibras disminuyen a medida que los diámetros.aumenta Se sugiere que la disminución del módulo elástico puede atribuirse al hecho de que las deformaciones por cizallamiento se convierten en un factor importante en las proporciones relativamente bajas de longitud a diámetro (L / D) (Tan & n CH3CH 2CH 2CH 2OH.

(5)Como se ve en las ecuaciones (3) - (5), se genera una gran cantidad de - OH en el proceso de hidrólisis. Cuando el sol de TiO2 se mezcla con la solución de PVAc, se formarán algunos enlaces secundarios o fuerzas de interacción entre el sol molecular de TiO2 (-OH) y PVAc molecular (C = O) durante el proceso de formación de la red de polímero / inorgánico, que resultó en el refuerzo de las nanofibras.

Figura 3. Esquema del método de doblado de tres puntos (a) y del método de curva de fuerza-distancia (b).

Figura 4. Efecto de los contenidos de TiO2 (0% en peso, 0.5% en peso y 1.0% en peso) sobre el módulo de elasticidad (E) de la nanofibra PVAc / TiO2.

Conclusión

  Este estudio investigó el efecto del compuesto orgánico / inorgánico sobre el módulo elástico de las nanofibras. Las nanofibras de PVAc y PVAc / TiO2 se fabricaron mediante el proceso de sol-gel y el método de electrospinning. Examen SEM reveladoque el diámetro promedio de las nanofibras disminuyó a medida que aumentaba el TiO2. Se encontró en las imágenes de AFM que el aumento de TiO2 condujo a la formación de una superficie rugosa de las nanofibras. Los resultados del análisis de propiedades de flexión indicaron que lael módulo elástico de ambas nanofibras de PVAc y PVAc / TiO2 disminuyó con el aumento de diámetros, ya que los diámetros más pequeños tienen una mayor extensión de disminución. La adición de sol de TiO2 a la matriz de PVAc mejoró significativamente el módulo elástico denanofibras