Piegatura a tre punti su nanoscala di polimero singolo / nanofibra composita inorganica

  La nanofibra composita in polivinilacetato (PVAc) puro e biossido di carbonio PVAc / titanio (TiO2) è stata preparata mediante processo sol-gel con elettrofilatura. L'effetto di aumentare il contenuto di TiO2 sulla distribuzione del diametro, sulla morfologia superficiale,e il modulo elastico delle nanofibre è stato caratterizzato utilizzando un microscopio elettronico a scansione (SEM) e un microscopio a forza atomica (AFM) dotato di picoforce. Immagini al SEM hanno mostrato che il diametro medio della nanofibra composita diminuivacon l'aumento di TiO2. Il test di flessione a tre punti indicava che il modulo elastico della nanofibre PVAc / TiO2 aumentava significativamente con l'aumentare del TiO2.

introduzione

  Per decenni, le nanofibre polimeriche sono state conosciute per le loro straordinarie proprietà, come diametri molto piccoli, superficie superficiale molto elevata per unità di massa, dimensioni dei pori piccoli ed elevata porosità. Grazie a queste proprietà eccellenti, il polimerole nanofibre sono state utilizzate per una vasta gamma di applicazioni come ingegneria tissutale, media filtranti, indumenti protettivi e sensori (Bhattarai, Yi, Hwang, Chad, & Kim, 2004; Li, Li, Ying e Yang, 2009; Veleirinho e Lopes-da-Silva,2009; Zhao, Gou, Bietto, Ibeh, & Hui, 2009). L'elettrofilatura è stata riconosciuta come una tecnica semplice e versatile per la preparazione di nanofibre da una varietà di materiali. Tuttavia, le nanofibre polimeriche non sono abbastanza forti per alcuni particolariapplicazioni. È stato dimostrato che polimero / nanofibra inorganica può essere facilmente sintetizzato usando una combinazione di metodi di elettrofilatura con processo sol-gel. Dall'introduzione di nanoparticelle inorganiche, nanofibre polimericheportare il vantaggio di materiali inorganici, come stabilità ad alta resistenza, termica e chimica (Chronakis, 2005). Al fine di studiare l'effetto dei componenti inorganici sulle proprietà meccaniche delle nanofibre polimeriche, diversii metodi di prova sono stati sviluppati dai ricercatori (Agic e Mijovic, 2005; Hasan, Zhou, e Jeelani, 2007; Rohatgi et al., 2008). Tuttavia, la caratterizzazione meccanica della singola nanofibra è ancora in una fase di esplorazione.

  Nel presente lavoro, il materiale composito di polivinilacetato (PVAc) / biossido di titanio (TiO2) con struttura nanofibrosa è stato preparato mediante elettrofilatura. La struttura fibrosa e la distribuzione del diametro delle nanofibre PVAc / TiO2 sono state indicateda un microscopio elettronico a scansione (SEM). La morfologia superficiale e il modulo elastico della singola nanofibre PVAc / TiO2 sono stati studiati utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM) dotato di picoforce.

  Materiali e metodi

  Sintesi di nanofibre composite PVAc / TiO2

La soluzione di tetrabutil titanato (Ti (OC4H9) 4) è stata utilizzata come precursore molecolare di TiO2. L'etanolo e l'acetone usati erano analiticigrado. La dietanolammina in qualità chimicamente pura è stata usata come agente inibente per il processo di idrolisi del TBT. Dietanolammina da 0,5 ml e 0,003 mol Ti (OC4H9) 4 sono stati aggiunti a 14,0 ml di etanolo con agitazione costante (soluzione A),mentre 1,0 mi di acqua distillata è stata aggiunta a un'altra14,0 ml di etanolo (soluzione B). Quindi, la soluzione B è stata aggiunta a gocce nella soluzione A con energica agitazione per 5 ore a temperatura ambiente. Dopo miscelazione uniforme, è stato ottenuto il sol TiO2. La soluzione PVAc con una concentrazione di 13% in peso erapreparato sciogliendo le particelle di PVAc in acetone. Una quantità controllata di sol TiO2 preparato è stata aggiunta nella soluzione di acetone PVAc, quindi fatta reagire a temperatura ambiente per 24 ore. Quindi, tre soluzioni composte PVAc / TiO2 in affittosono stati ottenuti campioni con diverso contenuto di sol TiO2 (0, 0,5 e 1% in peso). Nel processo di elettrofilatura, è stata applicata una potenza ad alta tensione (20 kV) alla soluzione contenuta in una siringa tramite un morsetto a coccodrillo attaccato alla siringaago. La soluzione è stata consegnata alla punta dell'ago smussato tramite una pompa di microinfusione (WZ-50C2, Zhejiang, Cina) per controllare la portata della soluzione in 0,5 ml / h. Le fibre elettrofilate sono state raccolte su fogli di alluminio e reticolo. Perconvenienza, i campioni sono stati etichettati come P / T0,5% per PVAc / TiO2 con contenuto di TiO2 0,5% in peso e P / T1,0% per PVAc / TiO2 con contenuto di TiO2 1,0% in peso.

  Caratterizzazione

  Le strutture fibrose delle nanofibre sono state osservate usando il SEM (HITACHI S-4800, Giappone) dopo un rivestimento in oro. Il diametro medio della fibra delle nanofibre elettrofilate è stato misurato dal software Photoshop CS3. La scansione AFM eraeseguito su un AFM CSPM4000 (Benyuan Co. Ltd., Cina) dotato di pinza. La frequenza di scansione è stata impostata a 1,0 Hz. La morfologia superficiale della singola nanofibre è stata analizzata sulla base delle osservazioni AFM.

Prova di flessione a tre punti

  Il test di flessione su tre punti su scala nanometrica è stato eseguito utilizzando la punta a sbalzo AFM per applicare un carico sull'intervallo medio di una nanofibra a singolo filamento sospeso su una scanalatura micrometrica. Una punta a mensola con una costante di molla diÈ stato applicato 0,35 N / m. Misurando la piccola deflessione della nanofibra e la forza applicata, e usando la teoria della curvatura del fascio, si possono ottenere le proprietà meccaniche di una singola nanofibra. I diametri dei campioni selezionati sonoapprossimativamente in multipli di 50 nm per contrasto. A causa della distribuzione casuale dei diametri delle nanofibre, il modulo medio elastico calcolato in un certo diametro è il valore medio di 10 campioni vicini, ad es. l'elasticomodulo di nanofibre PVAc in 400 nm è il valore medio dei 10 campioni nell'intervallo di 400-10 nm.

 risultati e discussione

La struttura fibrosa e la distribuzione del diametro delle nanofibre PVAc / TiO2 sono state studiate utilizzando SEM e software di mappatura, come illustrato nella Figura 1. Si osserva dalla figura come si formano le strutture fibrose e le nanofibre sonodistribuito casualmente sul raccoglitore. Le immagini nella Figura 1 indicano anche che il diametro medio delle nanofibre PVAc / TiO2 elettrofilate diminuisce significativamente all'aumentare della quantità di TiO2, da 585 a 287 nm. Sembra chela distribuzione del diametro delle nanofibre composite nella Figura 1 (b) (100-700 nm) e nella Figura 1 (c) (100-500 nm) diventa più uniforme di quella delle nanofibre PVAc nella Figura 1 (a) (200-1000 nm).

  La Figura 2 mostra la morfologia superficiale della singola nanofibre di PVAc / TiO2 con diversi contenuti di TiO2. Le strutture particellari che circondano la nanofibra nella figura 2 sono la morfologia superficiale delle lamine di alluminio. Come illustrato in figura2, la composizione del TiO2 sol altera in modo significativo le caratteristiche della superficie

Figura 1. Istogrammi di distribuzione di immagini SEM e diametro di (a) PVAc, (b) P / T0.5% e (c) P / T1.0% nanofibre.

Figura 2. Morfologia superficiale della singola nanofibra: (a) PVAc, (b) P / T0.5% e (c) P / T1.0%.

della nanofibra PVAc. L'immagine AFM nella figura 2a mostra che la nanofibra PVAc ha una superficie relativamente liscia e uniforme. La nanofibra composita nella Figura 2 (b) rivela una struttura superficiale irregolare delle rughe. Come il contenuto di TiO2aumentato fino all'1% in peso, la nanofibra composita (nella Figura 2 (c)) presentava una superficie ruvida con strutture simili a particelle lungo l'asse della fibra. Dall'analisi SEM e AFM, si può concludere che l'aumento dei contenuti di TiO2 non soloinfluenza la finezza e la distribuzione dei diametri, ma ovviamente altera anche la morfologia superficiale delle nanofibre PVAc.

  Le proprietà meccaniche delle nanofibre di elettrofilamento PVAc / TiO2 sono state misurate utilizzando un AFM basato sul test di flessione a tre punti. Uno schema del metodo di piegatura a tre punti è mostrato nella Figura 3 (a). In questa tecnica, una fibra èsospeso attraverso lo spazio di una grata. La punta AFM incide sulla fibra, causando la deformazione. Il modulo misurato in questo modo è un'intera proprietà di un'intera fibra e può essere ottenuto dalla curva forza-distanza dell'AFMsonda. La Figura 3 (b) presenta una tipica curva forza-distanza con AFM, in cui sono incluse le informazioni sufficienti sulle forze superficiali. La curva è composta da sei fasi: (1) da A a B, lo scanner si estende e la punta si avvicinala superficie del campione, nessuna interazione e nessuna deflessione a sbalzo, (2) da B a C, la punta tirata verso il basso, cali di deflessione dovuti a attrazioni a punta lunga e corta, attrazioni (3) da C a D, come la punta tocca la superficie, una forzaagisce sulla fibra e il cantilever si piega verso l'alto, (4) da D a E, lo scanner si ritrae dal campione, quando raggiunge il punto E, la forza verso l'alto uguale all'attrazione del campione di punta, (5) da E a F, cantilever esegue un improvviso rimbalzomentre lo scanner si ritrae continua, e

  (6) da F a A, ad una certa distanza la punta viene staccata dal campione e il cantilever ritorna allo stato non deviato. Tutti i parametri seguiti sonotestato nel processo di estensione. Conoscendo lo spostamento verticale del piezoelettrico AFM, Z-Z0 e la deflessione cantilena, è possibile calcolare Zc, la deformazione verticale della fibra (Equazione (1)) Tombler et al., 2000)

  Il modulo elastico delle nanofibre è stato calcolato dalla teoria della flessione del fascio data dall'equazione (2), dove F è la forza applicata, L è la lunghezza sospesa, I è il secondo momento dell'area del fascio (dove I = Lim, 2004) . Può anche esserevisto in Figura 4 (riquadro) che tutti e tre i tipi di nanofibre nell'intervallo 350-500 nm sono stati ottenuti da punti dati. L'immagine ingrandita rivela che il modulo elastico aumenta con l'aumentare del contenuto di TiO2, cheha dimostrato che senza tener conto della differenza di diametri, l'introduzione di TiO2 ha migliorato la resistenza alla flessione della nanofibra PVAc. Le equazioni (3) - (5) illustrano il processo di reazione di idrolisi Ti a tre passaggi (OC4H9) 4 per TiO2 solpreparazione (R è il gruppo tert-butossicarbonile)

(4)(F = kZc, dove k è la costante di molla del cantilever).

  L'effetto del contenuto di TiO2 sul modulo elastico della nanofibre di PVAc / TiO2 è stato calcolato e riassunto in Figura 4. Come si può vedere dalla Figura 4, il modulo elastico di PVAc, P / T0.5% e P / T1.0% le nanofibre diminuiscono come i diametriaumenta. Si suggerisce che il declino del modulo elastico possa essere ascritto al fatto che le deformazioni di taglio diventano un fattore importante a rapporti lunghezza-a-diametro (L / D) relativamente bassi (Tan & CH3CH 2CH 2CH 2OH.

(5)Come visto dalle equazioni (3) - (5), una grande quantità di - OH è generata nel processo di idrolisi. Quando il TiO2 sol è stato miscelato con la soluzione PVAc, si formerebbero alcuni legami secondari o forze di interazione tra il TiO2 sol molecolare (-OH) en PVAc-moleculair (C = O) tijdens het proces van polymeer / anorganische netwerkvorming, wat resulteerde in de versterking van nanovezels.

Figuur 3. Schematische weergave van de driepuntsbuigingsmethode (a) en de force-distance curve-methode (b).

Figuur 4. Effect van TiO2-gehalten (0 gew.%, 0,5 gew.% En 1,0 gew.%) Op de elasticiteitsmodulus (E) van PVAc / Ti02-nanovezel.

Conclusie

  Deze studie onderzocht het effect van organisch / anorganisch composiet op de elasticiteitsmodulus van nanovezels. De PVAc- en de PVAc / TiO2-nanovezels werden vervaardigd met behulp van sol-gel-proces en elektrospinwerkwijze. SEM-onderzoek onthulddat de gemiddelde diameter van nanovezels afnam naarmate TiO2 toenam. Uit AFM-beelden werd gevonden dat het toenemende TiO2 leidde tot de vorming van ruw oppervlak van nanovezels. De resultaten van analyse van buigproperty's gaven aan dat dede elasticiteitsmodulus van zowel PVAc- als PVAc / TiO2-nanovezels nam af met de toename in diameters, omdat kleinere diameters een grotere afname-omvang hebben. De toevoeging van TiO2 sol aan PVAc matrix verhoogde de elasticiteitsmodulus vannanovezels.