Nanoskalige Dreipunktbiegung einzelner Polymer / anorganischer Verbund-Nanofasern

  Die reinen Polyvinylacetat (PVAc) -Nanofasern und PVAc / Titandioxid (TiO2) -Verbundnanofasern wurden durch Sol-Gel-Verfahren mit Elektrospinnen hergestellt. Der Effekt der Erhöhung des TiO2-Gehalts auf die Durchmesserverteilung, die Oberflächenmorphologie,und der Elastizitätsmodul von Nanofasern wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) und eines mit Picoforce ausgestatteten Atomkraftmikroskops (AFM) charakterisiert. SEM-Bilder zeigten, dass der durchschnittliche Durchmesser der Komposit-Nanofasern abnahmmit der Erhöhung von TiO2. Der Dreipunkt-Biegetest zeigte, dass der Elastizitätsmodul von PVAc / TiO2-Nanofasern mit steigendem TiO2 signifikant anstieg.

Einführung

  Polymer-Nanofasern sind seit Jahrzehnten für ihre bemerkenswerten Eigenschaften bekannt, wie sehr kleine Durchmesser, sehr große Oberfläche pro Masseneinheit, kleine Porengröße und hohe Porosität. Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften ist PolymerNanofasern wurden für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet, wie zum Beispiel für das Tissue-Engineering, Filtermedien, Schutzkleidung und Sensoren (Bhattarai, Yi, Hwang, Chad, und Kim, 2004; Li, Li, Ying, und Yang, 2009; Veleirinho & Lopes-da-Silva,2009; Zhao, Gou, Bietto, Ibeh & Hui, 2009). Das Elektrospinnen wurde als einfaches und vielseitiges Verfahren zur Herstellung von Nanofasern aus verschiedenen Materialien erkannt. Polymernanofasern sind jedoch nicht stark genug für einige spezielleAnwendungen. Es wurde gezeigt, dass Polymer / anorganische Nanofasern mit einer Kombination aus Sol-Gel-Verfahren und Elektrospinnverfahren leicht synthetisiert werden können. Seit der Einführung anorganischer Nanopartikel werden Polymer-Nanofasern eingesetzttragen den Vorteil anorganischer Materialien wie hohe Festigkeit, thermische und chemische Stabilität (Chronakis, 2005). Um die Wirkung anorganischer Komponenten auf die mechanischen Eigenschaften von Polymer-Nanofasern zu untersuchen, sind mehrere zu nennenTestmethoden wurden von Forschern entwickelt (Agic und Mijovic, 2005; Hasan, Zhou, und Jeelani, 2007; Rohatgi et al., 2008). Die mechanische Charakterisierung einzelner Nanofasern befindet sich jedoch noch im Explorationsstadium.

  In der vorliegenden Arbeit wurde Polyvinylacetat (PVAc) / Titandioxid (TiO 2) - Verbundmaterial mit nanofaserner Struktur durch Elektrospinnen hergestellt. Die Faserstruktur und die Durchmesserverteilung von PVAc / TiO 2 -Nanofasern wurden angegebendurch ein Rasterelektronenmikroskop (SEM). Die Oberflächenmorphologie und der Elastizitätsmodul einzelner PVAc / TiO2-Nanofasern wurden unter Verwendung eines mit Picoforce ausgestatteten Rasterkraftmikroskops (AFM) untersucht.

  Materialen und Methoden

  Synthese von PVAc / TiO2-Verbundnanofasern

Tetrabutyltitanat (Ti (OC 4 H 9) 4) -Lösung wurde als molekulare Vorstufe von TiO 2 verwendet. Ethanol und Aceton waren analytischKlasse. Diethanolamin in chemisch reiner Qualität wurde als Inhibitor für den Hydrolyseprozess von TBT verwendet. Zu 14,0 ml Ethanol wurden 0,5 ml Diethanolamin und 0,003 mol Ti (OC4H9) 4 unter ständigem Rühren zugegeben (Lösung A).während 1,0 ml destilliertes Wasser zu einem anderen zugegeben wurde14,0 ml Ethanol (Lösung B). Dann wurde die Lösung B unter heftigem Rühren für 5 Stunden bei Raumtemperatur in die Lösung A getropft. Nach einheitlichem Mischen wurde das TiO 2 -Sol erhalten. PVAc-Lösung mit einer Konzentration von 13 Gew .-% warhergestellt durch Auflösen der PVAc-Teilchen in Aceton. Eine kontrollierte Menge an hergestelltem TiO 2 -Sol wurde zu der Aceton-PVAc-Lösung gegeben und dann bei Raumtemperatur für 24 Stunden umgesetzt. Somit können drei PVAc / TiO2-Verbundlösungen eingesetzt werdenEs wurden Proben mit unterschiedlichem TiO 2 -Solgehalt (0, 0,5 und 1 Gew .-%) erhalten. Beim Elektrospinnen wurde die in einer Spritze enthaltene Lösung über eine an der Spritze befestigte Krokodilklemme mit Hochspannungsenergie (20 kV) beaufschlagtNadel. Die Lösung wurde über eine Mikroinfusionspumpe (WZ-50C2, Zhejiang, China) der stumpfen Nadelspitze zugeführt, um die Fließgeschwindigkeit der Lösung in 0,5 ml / h zu steuern. Die elektrogesponnenen Fasern wurden auf Aluminiumfolien und Gitter gesammelt. ZumZweckmäßigerweise wurden die Proben als P / T0,5% für PVAc / TiO2 mit 0,5 Gew .-% TiO2-Gehalt und P / T1,0% für PVAc / TiO2 mit 1,0 Gew .-% TiO2-Gehalt bezeichnet.

  Charakterisierung

  Die Faserstrukturen der Nanofasern wurden mit dem SEM (HITACHI S-4800, Japan) nach einer Goldbeschichtung beobachtet. Der durchschnittliche Faserdurchmesser der elektrogesponnenen Nanofasern wurde mit Photoshop CS3 Software gemessen. Das AFM-Scannen wardurchgeführt auf einem CSPM4000 AFM (Benyuan Co. Ltd., China), der mit Picoforce ausgerüstet ist. Die Abtastfrequenz wurde auf 1,0 Hz eingestellt. Die Oberflächenmorphologie einzelner Nanofasern wurde basierend auf den AFM-Beobachtungen analysiert.

Dreipunkt-Biegeversuch

  Der nanoskalige Dreipunktbiegetest wurde durchgeführt, indem die AFM-Auslegerspitze verwendet wurde, um eine Last über die mittlere Spannweite einer einsträngigen Nanofaser aufzubringen, die über einer mikroförmigen Gitterrille schwebte. Eine freitragende Spitze mit einer Federkonstante von0,35 N / m wurde angewendet. Durch Messen der kleinen Auslenkung der Nanofaser und der aufgebrachten Kraft und unter Verwendung der Strahlbiegetheorie können die mechanischen Eigenschaften einer einzelnen Nanofaser erhalten werden. Die Durchmesser der ausgewählten Proben betragenungefähr in Vielfachen von 50 nm für den Kontrast. Wegen der zufälligen Verteilung der Nanofaserdurchmesser ist der bei einem bestimmten Durchmesser berechnete durchschnittliche Elastizitätsmodul der Durchschnittswert von 10 nahegelegenen Proben, z. das GummibandDas Modul der PVAc-Nanofaser in 400 nm ist der Durchschnittswert der 10 Proben im Bereich von 400 bis 10 nm.

 Resultate und Diskussion

Die Faserstruktur und die Durchmesserverteilung von PVAc / TiO2-Nanofasern wurden mit REM und Kartierungssoftware untersucht, wie in Abbildung 1 dargestellt. Aus der Abbildung wird ersichtlich, wie sich Faserstrukturen und Nanofasern bildenzufällig auf dem Sammler verteilt. Die Bilder in Abbildung 1 zeigen auch, dass der durchschnittliche Durchmesser der PVAc / TiO2-Nanofasern mit Elektrospun deutlich abnimmt, wenn die TiO2-Menge von 585 auf 287 nm steigt. AnscheinendDie Durchmesserverteilung der Komposit-Nanofasern in Abbildung 1 (b) (100–700 nm) und Abbildung 1 (c) (100–500 nm) wird einheitlicher als die der PVAc-Nanofasern in Abbildung 1 (a) (200–1000) nm).

  Abbildung 2 zeigt die Oberflächenmorphologie einzelner PVAc / TiO2-Nanofasern mit unterschiedlichen TiO2-Gehalten. Die partikelartigen Strukturen, die die Nanofaser in Abbildung 2 umgeben, sind die Oberflächenmorphologie von Aluminiumfolien. Wie in Abbildung dargestelltIn 2 ändert die Zusammensetzung des TiO 2 -Sols die Oberflächeneigenschaften signifikant

Figure 1. REM-Aufnahmen und Durchmesserverteilungshistogramme von (a) PVAc, (b) P / T0.5% und (c) P / T1.0% Nanofasern.

Abbildung 2. Oberflächenmorphologie einzelner Nanofasern: (a) PVAc, (b) P / T0.5% und (c) P / T1.0%.

der PVAc-Nanofaser. Das AFM-Bild in Abbildung 2a zeigt, dass die PVAc-Nanofaser eine relativ glatte und gleichmäßige Oberfläche hat. Die zusammengesetzte Nanofaser in Abbildung 2 (b) zeigt eine ungleichmäßige Struktur der Faltenoberfläche. Da der Gehalt an TiO2auf 1 Gew .-% erhöht, wies die Komposit-Nanofaser (in 2 (c)) eine raue Oberfläche mit partikelartigen Strukturen entlang der Faserachse auf. Aus der SEM- und AFM-Analyse kann gefolgert werden, dass nicht nur der TiO2-Gehalt steigtbeeinflusst die Feinheit und Verteilung der Durchmesser, verändert aber offensichtlich auch die Oberflächenmorphologie von PVAc-Nanofasern.

  Die mechanischen Eigenschaften elektrisch gesponnener PVAc / TiO2-Nanofasern wurden unter Verwendung eines AFM auf der Grundlage des Dreipunktbiegetests gemessen. Eine schematische Darstellung des Dreipunkt-Biegeverfahrens ist in 3 (a) gezeigt. Bei dieser Technik handelt es sich um eine Faserüber dem Spalt eines Gitters aufgehängt. Die AFM-Spitze trifft auf die Faser und verursacht die Verformung. Der auf diese Weise gemessene Modul ist die gesamte Eigenschaft einer gesamten Faser und kann aus der Kraft-Weg-Kurve des AFM erhalten werdenSonde. Abbildung 3 (b) zeigt eine typische Kraft-Weg-Kurve nach AFM, in der die ausreichenden Informationen über die Oberflächenkräfte enthalten sind. Die Kurve besteht aus sechs Stufen: (1) von A nach B, der Scanner fährt aus und die Spitze nähert sichDie Probenoberfläche, keine Wechselwirkung und keine Auslenkung des Cantilevers, (2) von B nach C, die Spitze wird nach unten gezogen, die Ablenkung sinkt aufgrund von Anziehungspunkten für lang- und kurzreichweitige Spitze-Probe, (3) von C nach D als Spitze berührt die Oberfläche, eine Kraftwirkt auf die Faser und der Cantilever biegt sich nach oben (4) von D nach E, der Scanner zieht sich von der Probe zurück, wenn er den E-Punkt erreicht, die Aufwärtskraft gleich der Anziehungskraft zwischen Spitze und Probe (5) von E nach F, Cantilever führt einen plötzlichen Sprung durchwährend der Scanner einfährt, und

  (6) Von F nach A wird die Spitze in einem bestimmten Abstand von der Probe gelöst und der Ausleger kehrt in seinen nicht abgelenkten Zustand zurück. Alle folgenden Parameter sindim Erweiterungsprozess getestet. Wenn man die vertikale Verschiebung des AFM-Piezo, Z – Z0, und die Cantilver-Auslenkung, Zc, kennt, kann man die vertikale Deformation der Faser berechnen (Gleichung (1)) Tombler et al. (2000).

  Der Elastizitätsmodul von Nanofasern wurde aus der Strahlbiege-Theorie berechnet, die durch Gleichung (2) gegeben ist, wobei F die aufgebrachte Kraft ist, L die aufgehängte Länge ist und I das zweite Moment der Fläche des Strahls ist (wo I = Lim, 2004). . Es kann auch seinIn Abbildung 4 (Einschub) ist zu sehen, dass alle drei Arten von Nanofasern im Bereich von 350–500 nm aus Datenpunkten gewonnen wurden. Das vergrößerte Bild zeigt, dass der Elastizitätsmodul mit der Zunahme der TiO 2 -Gehalte zunimmt, was zzeigten, dass die Einführung von TiO2 die Biegefestigkeit von PVAc-Nanofasern unabhängig vom Durchmesserunterschied verbessert. Die Gleichungen (3) - (5) veranschaulichen den dreistufigen Ti (OC4H9) 4 -Hydrolysereaktionsprozess für TiO 2 -SolZubereitung (R ist eine tert-Butoxycarbonylgruppe)

(4)(F = kZc, wobei k die Federkonstante des Cantilevers ist).

  Die Auswirkung der TiO2-Gehalte auf den Elastizitätsmodul von PVAc / TiO2-Nanofasern wurde berechnet und in Abbildung 4 zusammengefasst. Wie aus Abbildung 4 ersichtlich, wurden der Elastizitätsmodul von PVAc, P / T0,5% und P / T1.0% Nanofasern nehmen mit dem Durchmesser aberhöht sich. Es wird vermutet, dass die Abnahme des Elastizitätsmoduls der Tatsache zuzuschreiben ist, dass Scherdeformationen bei relativ niedrigen Verhältnissen von Länge zu Durchmesser (L / D) (Tan & nCH3CH2CH2CH2OH) ein wichtiger Faktor werden.

(5)Wie aus den Gleichungen (3) - (5) ersichtlich, wird im Hydrolyseprozess eine große Menge an -OH erzeugt. Wenn TiO2-Sol mit PVAc-Lösung gemischt wurde, würden sich zwischen dem TiO2-Sol-Molekül (-OH) und PVAc molekular (C = O) während des Prozesses der Polymer / anorganischen Netzwerkbildung, was zur Verstärkung von Nanofasern führte.

Abbildung 3. Schema der Dreipunktbiegemethode (a) und Kraft-Weg-Kurvenmethode (b).

Abbildung 4. Einfluss der TiO2-Gehalte (0 Gew .-%, 0,5 Gew .-% und 1,0 Gew .-%) auf den Elastizitätsmodul (E) von PVAc / TiO2-Nanofasern.

Fazit

  Diese Studie untersuchte den Einfluss von organischen / anorganischen Kompositen auf den Elastizitätsmodul von Nanofasern. Die PVAc- und die PVAc / TiO2-Nanofasern wurden im Sol-Gel-Verfahren und im Elektrospinning-Verfahren hergestellt. SEM-Untersuchung ergabdass der durchschnittliche Durchmesser der Nanofasern mit zunehmendem TiO2 abnahm. In AFM-Bildern wurde festgestellt, dass das steigende TiO2 zur Bildung von rauen Oberflächen von Nanofasern führte. Die Ergebnisse der Biegeeigenschaftsanalyse zeigten, dass dieDer Elastizitätsmodul sowohl der PVAc- als auch der PVAc / TiO2-Nanofasern nahm mit der Zunahme der Durchmesser ab, da kleinere Durchmesser eine größere Abnahme haben. Die Zugabe von TiO2-Sol zur PVAc-Matrix erhöhte den Elastizitätsmodul von deutlichNanofasern.