Электропряжение на изолирующие подложки через контроль смачиваемости поверхности и локальной влажности

Аннотация

Мы представляем простую технику, позволяющую электропряжение полимеров на гибкие неэлектропроводящие подложки за счет использования смачиваемости поверхности и контролируемой влажности. Повышая локальную относительную влажность вокруг плазматически обработанной гидрофильной полимерной поверхности, водные монослои адсорбируют и служат как временный заземляющий электрод. Электропряженные волокна осаждаются селективно на гидрофильных областях, позволяя точное паттернирование без сложной фабрикации электродов. Ближнее электропряжение дополнительно демонстрирует прямое письмо полимерных нановолокон на гидрофильных поверхностях, открывая пути для носимых и гибких электронных устройств.

Введение

Электропряжение — экономичный метод производства непрерывных нановолокон в субмикрометровом диапазоне — опирается на электрическое поле, генерируемое между высоковольтным источником, спиннеретом и коллектором. Традиционно коллектор представляет собой электропроводящую подложку (например, металл), служащую заземляющим электродом, обеспечивающим стабильное электрическое поле. Когда требуется неэлектропроводящая подложка, внешние электропроводящие слои должны быть добавлены для обеспечения заземления [4].

Многие промышленные применения требуют осаждения на изолирующие гибкие полимеры [6]. Предыдущая работа достигала этого только для очень тонких изолирующих слоев (≤100 мкм) или путем использования сложных техник электроhidродинамики с модулированным импульсом переменного тока, требующих специализированного оборудования [7]. Хотя электропряжение на жидких электролитах изучалось [9–12], простой, масштабируемый подход для произвольных изолирующих подложок остается недостижимым.

Мы вводим метод, использующий проводимость адсорбированных водных слоев на гидрофильных поверхностях в среде с высокой влажностью. Тонкий монослой воды может проводить электричество при относительной влажности (RH) выше 50% [13]. Контролируя локальную влажность вокруг плазматически обработанного полимера, адсорбированная вода действует как заземляющий электрод, позволяя электропряжение независимо от толщины подложки и совместимое с конвенциональными установками.

Методы

Подготовка гидрофильной полимерной подложки

500-ммм акриловая пластина с естественно гидрофобной поверхностью подвергали 30 с кислородной плазме (CUTE, Femto Science, Корея). Это лечение ввело силилов группы (SiOH) и снизило угол смачивания водой с 81,3° до 36,7°, подтверждая успешную гидрофилизацию [14]. Селективная гидрофилизация достигалась маскированием областей перед воздействием плазмы.

Установка электропряжения

Электропряжение проводили при комнатной температуре (≈22 °C) и умеренной RH (40–50%). 10 масс.% раствор полиуретана (PU) (Pellethane 2363‑80AE; Lubrizol, США), растворенного в 80/20 (об/об) смеси THF/DMF, служил прядильным раствором. Для сравнительных исследований PU волокна осаждали на акриловом коллекторе, сочетающем гидрофильные и гидрофобные области (Рис. 1a).

Схема процесса электропряжения на полимерной подложке с контролем локальной влажности (a) и крупный план граничной области (b).

Контроль локальной влажности

Для повышения влажности рядом с коллектором мокрую бумагу помещали между акриловой подложкой и заземляющим электродом (Рис. 1b). Поскольку водяной пар диффундирует медленно, RH возле подложки достигала ~70%, в то время как среда кончика шприца оставалась ~50% (Дополнительный файл 1: Рис. S2). Этот локальный рост обеспечивает быструю адсорбцию воды на гидрофильных поверхностях, облегчая электростатическое сопряжение [15].

Результаты и обсуждение

Режимы электропряжения

Мы изучали две конфигурации: (1) дальнее электропряжение (расстояние кончик-коллектор = 8 см, 13 кВ постоянного тока) и (2) ближнее электропряжение (расстояние = 1 см, 2 кВ постоянного тока, движущийся кончик при 100 мм с⁻¹). В дальнем режиме волокна формировались только на гидрофильных областях; гидрофобные участки оставались свободными от осаждения (Рис. 2). Адсорбированный водный слой на гидрофильной поверхности обеспечивал необходимое заземление, в то время как гидрофобная поверхность препятствовала формированию электрического поля. Ближние эксперименты продемонстрировали, что волокна могут быть написаны прямо вдоль траектории кончика на гидрофильных областях, производя непрерывные линии; волокна на гидрофобных областях казались нестабильными и скрученными.

Дальние электропряженные пленки на поверхностях с разной смачиваемостью. a и c показывают макроскопические изображения; b и d показывают микрографии граничных областей.

Четыре полимера — PCL, PS, CA и PVDF — тестировали для подтверждения универсальности. В каждом случае волокна осаждались исключительно на гидрофильных областях (Рис. 3). SEM анализ (Рис. 4) раскрыл, что морфология волокна на полимерном коллекторе совпадает с той, произведенной на конвенциональных металлических электродах, указывая на то, что контроль локальной влажности не компрометирует качество волокна.

Электропряженные волокна (a) PCL, (b) PS, (c) CA и (d) PVDF на гидрофильных против гидрофобных поверхностях (шкала: 10 мм).

SEM изображения, сравнивающие PU волокна на металлическом электроде (a, d) без контроля влажности, металлическом электроде с контролем влажности (b, e) и гидрофильной полимерной подложке с контролем влажности (c, f) под 12 кВ постоянного тока.

Сила электрического поля также влияет на паттерны осаждения. По мере увеличения приложенного напряжения от 6 кВ до 16 кВ (кончик-коллектор = 8 см), нестабильность изгиба струи усиливалась, приводя к более большим петлям, осаждающим волокна на гидрофобных областях (Рис. 5). При более низких напряжениях волокна преимущественно собирались на гидрофильной поверхности.

Осаждение PU волокон на гидрофильной (справа) и гидрофобной (слева) поверхностях при приложенных напряжениях 6, 8, 10, 12, 14 и 16 кВ (шкала: 10 мм).

Ближние эксперименты дополнительно подтвердили метод. Когда коллектором был гидрофильный полимер, кончик производил прямые, непрерывные линии, тогда как на гидрофобном коллекторе волокна были нестабильными и изогнутыми (Рис. 6). Это демонстрирует, что прямое паттернирование на изолирующих подложках достижимо без внешних электродов.

Ближние электропряженные пленки на (a) гидрофобной и (b) гидрофильной поверхностях; (c) цифровая фотография волокон, написанных на гидрофильной подложке; (d) микрография того же. Вертикальная линия отмечает границу между гидрофильной (слева) и гидрофобной (справа) областями.

Заключение

Мы установили простой, масштабируемый подход к электропряжению на изолирующие подложки любой толщины, используя смачиваемость поверхности и контролируемую локальную влажность. Кислородная плазма делает поверхность полимера гидрофильной, позволяя адсорбированной воде при ~70% RH действовать как заземляющий электрод. Электропряженные нановолокна, осажденные на гидрофильный коллектор, соответствуют морфологии, достижимой на конвенциональных металлических электродах, а ближнее письмо дает точные волоконные паттерны на гидрофильных областях иных изолирующих поверхностей. Эта стратегия устраняет необходимость в сложной MEMS или фабрикации электродов, позволяя интеграцию электропряженных нановолокон в гибкие, носимые электронные устройства и другие возникающие применения.