Электроформование на изоляционные основы путем контроля смачиваемости и влажности поверхности

Результаты и обсуждение

Сила, действующая на УНТ на границе раздела жидкость – воздух

Мы исследовали два режима электроспиннинга:расстояние между наконечником и электродом 8 см и приложение постоянного напряжения 13 кВ с фиксированным наконечником (электроспиннинг в дальней зоне), а также расстояние между наконечником и электродом 1 см и приложение постоянного напряжения 2 кВ. напряжение с подвижным наконечником (электроспиннинг в ближней зоне).

Электроформование в дальней зоне выполняли, сначала помещая полимерную подложку на заземляющий электрод. Электропрядение не происходило на гидрофобных участках субстрата. Вместо этого раствор полимера образует каплю на конце наконечника, которая в конечном итоге падает под действием силы тяжести. Напротив, когда гидрофилизированная полимерная подложка была помещена на электрод, на поверхность подложки были нанесены электропряденные волокна, как это наблюдается при обычном электроспиннинге с использованием проводящих подложек. Затем электропряденые волокна осаждали на двойную подложку, имеющую как гидрофобные, так и гидрофильные поверхности. На рис. 2 показаны фотографии и микрофотографии нановолокон, полученных с помощью цифрового фотоаппарата, на двойной подложке. Большая часть волокон осаждалась на гидрофильной поверхности. На рис. 2а, б правая и левая половины поверхности полимера являются гидрофильными и гидрофобными соответственно. Наконечник шприца закрепляли в центре подложки. Водяной пар из воздуха адсорбировался только на гидрофильной поверхности, действующей как электрод. Электрическое поле образовывалось между иглой и водой при приложении высокого напряжения для электроспиннинга. Напротив, гидрофобная поверхность чистой акриловой подложки предотвращала образование электрического поля между наконечником и заземляющим электродом. Электропрядение - это явление, при котором заряженный раствор выходит из наконечника шприца за счет отталкивающей электростатической силы. Таким образом, капля раствора полимера, выходящая из струи, заряжается. Заряженный раствор полимера испытывает электростатическую силу и движется к гидрофильной поверхности. По той же причине не происходило электроспиннинга на гидрофобной области электрода. Предполагается, что электропряденые волокна, осажденные на краю гидрофобного домена на рис. 2а, являются результатом воздействия электрода, открытого снаружи полимерной подложки. На рис. 2c, d пять параллельных полос полимерного субстрата, а остальные были гидрофобными и гидрофильными, соответственно. Ширина и шаг стержней составляли 2 мм. Электросрядные волокна, нанесенные на гидрофобную поверхность, были выровнены так, чтобы их продольные оси были ориентированы перпендикулярно границе гидрофильной и гидрофобной поверхностей. Но электропряденые волокна на гидрофильной поверхности были беспорядочно неупорядоченными. Это согласуется с хорошо известными результатами обычного электропрядения на основе металлических электродов [16].

Изображения электроспряденных пленок в дальней зоне на поверхностях с различной смачиваемостью. а , c Фотографии с цифровой камеры. б , d Цифровые микрофотографии пограничной области а и c соответственно

Для проверки универсальности электропрядение было выполнено для четырех видов полимеров:PCL (поликапролактон), PS (полистирол), CA (ацетат целлюлозы) и PVDF (поливинилиденфторид). PCL (15 мас.%, Sigma-Aldrich) растворяли в смеси (20/80, v / v ) THF и DMF, PS (10 мас.%, Sigma-Aldrich) растворяли в смеси (80/20, v / v ) THF и DMF, CA (10 мас.%, Sigma-Aldrich) растворяли в смеси (1/1, v / v ) ацетона и диметилацетамида (DMAc) и PVDF (15 мас.%, Sigma-Aldrich) растворяли в DMF при 60 ° C соответственно. На рис. 3 четыре различных электропряденых волокна нанесены на поверхность гидрофильной поверхности, как электропряденые волокна из полиуретана.

Изображения электропряденого волокна на полимерной подложке с гидрофильной (справа) и гидрофобной (слева) поверхностью. а PCL. б PS. c Ацетат целлюлозы. г ПВДФ (шкала:10 мм)

Морфология электропряденого волокна на полимерной подложке сравнивалась с обычным электропрядением и волокном на металлическом электроде с локальным контролем влажности. На рис. 4 показано СЭМ-изображение электропряденого полиуретанового волокна на металлическом электроде с локальным контролем влажности и без него и полимерной подложки с локальным контролем влажности. Морфология электропряденых волокон была сходной во всех трех случаях. Предполагается, что сильные летучие растворители в достаточной степени испаряются, поскольку влажность вокруг шприца остается низкой.

СЭМ-изображения электропряденого волокна в различных условиях с расстоянием между наконечником и электродом 8 см и приложением постоянного напряжения 12 кВ. а , d Обычный электроспиннинг - металлический электрод без местного контроля влажности. б , e Металлический электрод с локальным контролем влажности. c , f Гидрофильная поверхностная полимерная подложка с локальным контролем влажности

Напряженность электрического поля - один из важных факторов, влияющих на структуру электропряденых волокон. На рис. 5 показан рисунок электроспряденного волокна на полимерной подложке с гидрофильной (справа) и гидрофобной (слева) поверхностью, где приложенное напряжение изменялось от 6 до 16 кВ при расстоянии между наконечником и электродом 8 см. Известно, что с увеличением электрического поля петли полимерной струи увеличиваются по мере увеличения изгибной неустойчивости [17, 18]. По мере роста петель полимерной струи электропряденные волокна осаждаются на электроде, выходящем за пределы полимерной подложки. Следовательно, электропряденные волокна осаждаются на гидрофобной поверхности полимерного субстрата между электродом и гидрофильной поверхностью. С другой стороны, когда петли струи полимера маленькие, большая часть электропряденых волокон откладывается на гидрофильной поверхности полимерной подложки, расположенной вертикально под наконечником шприца.

Изображения ПУ электропряденого волокна на полимерной подложке с гидрофильной (справа) и гидрофобной (слева) поверхностью в зависимости от приложенного постоянного напряжения в течение 2 мин. а 6 кВ. б 8 кВ. c 10 кВ. г 12 кВ. е 14 кВ. е 16 кВ (шкала:10 мм)

Электроформование в ближнем поле выполняли на расстоянии от иглы до подложки 1 см, а иглу перемещали со скоростью 100 мм / с. На рис. 6а, б сравниваются полимерные нановолокна с прямым рисунком на проводящем электроде и гидрофильной полимерной подложке. Когда на электроде присутствует гидрофобная область, волокна выходят к обнаженному электроду. И наоборот, волокна выходили прямо к гидрофилизированной полимерной подложке. Заряды в капле раствора полимера не могут уйти, если капля упадет на изолирующую поверхность. Таким образом, заряд этого первоначально нанесенного полимерного слоя будет отталкивать падающие капли электропрядения [19]. На рис. 6c, d показан результат нанесения полимерных волокон непосредственно на полимерную подложку, имеющую как гидрофобные, так и гидрофильные поверхности. Вертикальная линия на изображении - это граница между гидрофильной (слева) и гидрофобной (справа) областями. Волокна на гидрофильной поверхности протягивались вдоль кончика наконечника по прямой линии и были аналогичны по форме волокнам, полученным с помощью обычного электроспиннинга в ближней зоне. Напротив, волокна на гидрофобной поверхности были нестабильными и имели скрученную или изогнутую форму. Волокна на гидрофильной поверхности размещались по инерции, возникающей из-за движущегося наконечника, когда он перемещался из гидрофильной области. Полимерные волокна, падающие таким образом, были крайне нестабильны из-за отсутствия электрического поля на гидрофобной поверхности. На рис. 6е показаны волокна, полученные в результате прямого нанесения полимерных линий на гидрофильную полимерную подложку. Обратите внимание на то, что фиг. 6f - это увеличенное изображение фиг. 6e. Эти данные подтверждают, что полимерные узоры можно нарисовать непосредственно на поверхности изолятора с гидрофильной поверхностью, как если бы они были нарисованы на поверхности электрода.

Изображения ближнепольных электропряденых пленок на a гидрофобная поверхность и b гидрофильная поверхность. Изображения полимерных волокон, написанные непосредственно на полимерной подложке с гидрофобной поверхностью (слева) и гидрофильной поверхностью (справа); c фотография с цифровой камеры и d цифровая микрофотография. Изображения электропряденых полимерных волокон, написанные непосредственно на гидрофильной поверхности; е фотография с цифровой камеры и f цифровая микрофотография

Выводы

Мы внедрили новый метод электроспиннинга на изолирующую подложку независимо от ее толщины. Плазменная обработка акриловой основы дает гидрофильную поверхность. В среде с достаточно высокой влажностью молекулы воды адсорбируются, образуя тонкий слой, который действует как заземляющий электрод. Этим методом были нанесены нановолокна электропряденого типа на гибкую полимерную подложку, и не было существенных отличий от морфологии электропряденого волокна от обычного электропрядения. Также было показано, что полимерные волокна могут быть написаны непосредственно на гидрофильных поверхностях гидрофобных подложек с помощью электроспиннинга в ближнем поле. Повышение локальной влажности вокруг полимерной подложки позволило осуществить электроспиннинг на поверхности изолятора. Этот интересный результат контрастирует с общим предположением о том, что электропрядение следует проводить при низкой влажности. Конкретные области полимерного субстрата могут быть определены для осаждения электропряденого волокна путем выборочного контроля смачиваемости субстрата. Следовательно, формирование волоконного рисунка возможно без относительно сложных и дорогостоящих процессов, таких как методы на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), которые в настоящее время используются для изготовления электродов с микрочастицами. Более того, мы считаем, что электроспиннинг с использованием проводящих материалов, таких как углеродные нанотрубки или проводящие полимеры, может быть применим для изготовления электродов на гибких подложках, которые можно использовать в носимых устройствах.