Nanoschaal driepunts buiging van enkele polymeer / anorganische composiet nanovezel

  De zuivere polyvinylacetaat (PVAc) nanovezel en PVAc / titaniumdioxide (TiO2) composiet nanovezel werden bereid door middel van een sol-gel proces met elektrospinning. Het effect van het verhogen van het TiO2-gehalte op de diameterverdeling, oppervlaktemorfologie,en de elasticiteitsmodulus van nanovezels werd gekarakteriseerd met behulp van een scanning elektronenmicroscoop (SEM) en een atomic force microscope (AFM) uitgerust met picoforce. SEM-afbeeldingen toonden aan dat de gemiddelde diameter van composiet nanovezels afnammet de toename van TiO2. De driepunts buigproef gaf aan dat de elasticiteitsmodulus van PVAc / Ti02 nanovezel significant toenam naarmate TiO2 toenam.

Invoering

  Decennia lang zijn polymere nanovezels bekend om hun opmerkelijke eigenschappen, zoals zeer kleine diameters, zeer groot oppervlak per eenheid massa, kleine poriegrootte en hoge porositeit. Vanwege deze uitstekende eigenschappen, polymeernanovezels zijn gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, zoals tissue engineering, filtermedia, beschermende kleding en sensoren (Bhattarai, Yi, Hwang, Tsjaad, & Kim, 2004; Li, Li, Ying, & Yang, 2009; Veleirinho & Lopes-da-Silva,2009; Zhao, Gou, Bietto, Ibeh & Hui, 2009). Electrospinning is erkend als een eenvoudige en veelzijdige techniek voor het bereiden van nanovezels uit een verscheidenheid aan materialen. De nanovezels van polymeer zijn echter niet sterk genoeg voor sommige specialetoepassingen. Er is aangetoond dat polymeer / anorganische nanovezels gemakkelijk kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van een combinatie van sol-gel proces elektrospinning methoden. Sinds de introductie van anorganische nanodeeltjes, polymeer nanovezelsgebruik het voordeel van anorganische materialen, zoals hoge sterkte, thermische en chemische stabiliteit (Chronakis, 2005). Om het effect van anorganische componenten op de mechanische eigenschappen van polymeer-nanovezels te onderzoeken, zijn er verschillendetestmethoden werden ontwikkeld door onderzoekers (Agic & Mijovic, 2005; Hasan, Zhou, & Jeelani, 2007; Rohatgi et al., 2008). De mechanische karakterisatie van enkele nanovezels bevindt zich echter nog in een verkenningsfase.

  In het onderhavige werk werd composietmateriaal van polyvinylacetaat (PVAc) / titaniumdioxide (TiO2) met nanovezelstructuur vervaardigd door middel van elektrospinning. De vezelachtige structuur en diameterverdeling van PVAc / TiO2 nanovezels waren aangegevendoor een scanning elektronenmicroscoop (SEM). De oppervlaktemorfologie en de elasticiteitsmodulus van enkele PVAc / TiO2 nanovezel werden onderzocht met behulp van een atomic force microscope (AFM) uitgerust met picoforce.

materialen en methodes

  Synthese van PVAc / TiO2 composiet nanovezels

  Tetrabutyltitanaat (Ti (OC4H9) 4) oplossing werd gebruikt als een moleculaire voorloper van TiO2. Ethanol en aceton waren analytischleerjaar. Diethanolamine in chemisch zuivere kwaliteit werd gebruikt als het remmende middel voor het hydrolyseproces van TBT. Diethanolamine van 0,5 ml en 0,003 mol Ti (OC4H9) 4 werd toegevoegd aan 14,0 ml ethanol onder constant roeren (oplossing A),terwijl 1,0 ml gedestilleerd water aan een ander werd toegevoegd14,0 ml ethanol (oplossing B). Vervolgens werd oplossing B druppelsgewijs toegevoegd aan oplossing A onder krachtig roeren gedurende 5 uur bij kamertemperatuur. Na uniform mengen werd de Ti02-sol verkregen. PVAc-oplossing met een concentratie van 13 gew.% Wasbereid door de PVAc-deeltjes in aceton op te lossen. Een geregelde hoeveelheid bereide Ti02-sol werd toegevoegd aan de aceton PVAc-oplossing en vervolgens gereageerd bij kamertemperatuur gedurende 24 uur. Dus, drie transpa huur samengestelde PVAc / TiO2-oplossingmonsters met verschillend Ti02-sol-gehalte (0, 0,5 en 1 gew.%) werden verkregen. Bij het elektrospinproces werd een hoogspanningsvermogen (20 kV) op de oplossing in een spuit aangebracht via een krokodillenklem die aan de spuit was bevestigdnaald. De oplossing werd via een micro-infusiepomp (WZ-50C2, Zhejiang, China) aan de botte punt van de naald afgeleverd om de stroomsnelheid van de oplossing in 0,5 ml / uur te regelen. De elektrogesponnen vezels werden verzameld op aluminiumfolies en -rooster. Voorgemak werden de monsters gelabeld als P / T0,5% voor PVAc / Ti02 met 0,5 gew.% Ti02-gehalte en P / T 1,0% voor PVAc / Ti02 met 1,0 gew.% Ti02-inhoud.

  kenschetsing

  De vezelachtige structuren van de nanovezels werden geobserveerd met behulp van de SEM (HITACHI S-4800, Japan) na een goudcoating. De gemiddelde vezeldiameter van de elektrospin-nanovezels werd gemeten door Photoshop CS3 Software. Het AFM-scannen wasuitgevoerd op een CSPM4000 AFM (Benyuan Co. Ltd., China) uitgerust met pico-force. De aftastfrequentie werd ingesteld op 1,0 Hz. De oppervlaktemorfologie van enkele nanovezels werd geanalyseerd op basis van de AFM-waarnemingen.

Driepuntsbuigtest

  De driepunts buigtest op nanoschaal werd uitgevoerd met behulp van de AFM-cantilevertip om een ​​belasting over de middenoverspanning van een nanovezel met enkele streng op te hangen, opgehangen over een microgroothoekrastergroef. Een vrijdragende punt met een veerconstante van0,35 N / m werd toegepast. Door de kleine afbuiging van de nanovezel en de uitgeoefende kracht te meten, en door de bundelbuigtheorie te gebruiken, kunnen de mechanische eigenschappen van een enkele nanovezel worden verkregen. De diameters van geselecteerde exemplaren zijnongeveer in veelvouden van 50 nm voor contrast. Vanwege de willekeurige verdeling van nanovezel diameters is de gemiddelde elasticiteitsmodulus berekend in een bepaalde diameter de gemiddelde waarde van 10 nabijgelegen monsters, b.v. het elastiekmodulus van PVAc-nanovezel in 400 nm is de gemiddelde waarde van de 10 monsters in het bereik van 400-10 nm.

 resultaten en discussie

De vezelstructuur en diameterverdeling van PVAc / TiO2 nanovezels werden onderzocht met behulp van SEM en mapping software, zoals geïllustreerd in Figuur 1. Uit de figuur is te zien hoe vezelstructuren worden gevormd en de nanovezels worden gebruikt.willekeurig verdeeld over de collector. De afbeeldingen in Figuur 1 geven ook aan dat de gemiddelde diameter van de elektrospun PVAc / TiO2 nanovezels significant afneemt naarmate de hoeveelheid TiO2 toeneemt, van 585 tot 287 nm. Het komt voor datde diameterverdeling van de samengestelde nanovezels in figuur 1 (b) (100-700 nm) en figuur 1 (c) (100-500 nm) wordt uniformer dan die van de PVAc-nanovezels in figuur 1 (a) (200-1000) nm).

  Figuur 2 onthult de oppervlaktemorfologie van enkele PVAc / TiO2 nanovezel met verschillende TiO2-gehalten. De deeltjesachtige structuren rond de nanovezel in figuur 2 zijn de oppervlaktemorfologie van aluminiumfolies. Zoals geïllustreerd in figuur2, verandert de samenstelling van TiO2-sol aanzienlijk de oppervlaktekarakteristieken

Figuur 1. SEM-afbeeldingen en diameter distributiehistogrammen van (a) PVAc, (b) P / T0,5% en (c) P / T1.0% nanovezels.

Figuur 2. Oppervlaktemorfologie van enkele nanovezel: (a) PVAc, (b) P / T0,5% en (c) P / T1,0%.

van de PVAc-nanovezel. Het AFM-beeld in figuur 2a toont dat de PVAc-nanovezel een relatief glad en uniform oppervlak heeft. De samengestelde nanovezel in figuur 2 (b) onthult een onregelmatige structuur van het rimpeloppervlak. Zoals de inhoud van TiO2verhoogd tot 1 gew.%, gaf de samengestelde nanovezel (in figuur 2 (c)) een ruw oppervlak met deeltjesachtige structuren langs de vezelas. Uit SEM- en AFM-analyse kan worden geconcludeerd dat de toename van de TiO2-gehalten niet alleenbeïnvloedt de fijnheid en verdeling van diameters, maar verandert ook duidelijk de oppervlaktemorfologie van PVAc-nanovezels.

  De mechanische eigenschappen van elektrospun PVAc / TiO2 nanovezels werden gemeten met behulp van een AFM op basis van de driepunts buigtest. Een schema van de driepuntsbuigmethode wordt getoond in figuur 3 (a). In deze techniek is een vezelopgehangen over de opening van een rooster. De AFM-tip raakt de vezel aan en veroorzaakt de vervorming. De op deze manier gemeten modulus is een volledige eigenschap van een hele vezel en kan worden verkregen uit de kracht-afstand curve van de AFMsonde. Figuur 3 (b) presenteert een typische kracht-afstandscurve door AFM, waarin de voldoende informatie over oppervlaktekrachten is opgenomen. De curve bestaat uit zes fasen: (1) van A tot B, de scanner strekt zich uit en de tip naderthet monsteroppervlak, geen interactie en geen cantilever doorbuiging, (2) van B naar C, de punt naar beneden getrokken, afbuiging valt als gevolg van lange- en korte afstand tip-monster attracties, (3) van C naar D, als de punt maakt contact met het oppervlak, een krachtwerkt op de vezel en de cantilever buigt omhoog, (4) van D naar E, de scanner trekt zich terug uit het monster, wanneer het het E-punt bereikt, de opwaartse kracht gelijk aan de puntmonsterattractie, (5) van E tot F, cantilever voert een plotselinge rebound uitals de scanner intrekt, gaat verder en

  (6) van F naar A, op een bepaalde afstand wordt de punt losgemaakt van het monster en komt de vrijdragende arm terug in zijn niet-afgebogen toestand. Alle gevolgde parameters zijngetest in het verlengingsproces. Het kennen van de verticale verplaatsing van de AFM-piëzo, Z-Z0 en de cantileverafbuiging, Zc, de verticale vervorming van de vezel, kan worden berekend (vergelijking (1)) Tombler et al., 2000)

  De elasticiteitsmodulus van nanovezels werd berekend uit de bundelbuigtheorie gegeven door vergelijking (2), waarbij F de toegepaste kracht is, L de hangende lengte, I het tweede moment van het gebied van de bundel (waarbij I = Lim, 2004) . Het kan ook zijnte zien in figuur 4 (inzet) dat alle drie soorten nanovezels in het bereik van 350-500 nm uit gegevenspunten zijn verkregen. Het vergrote beeld laat zien dat de elasticiteitsmodulus toeneemt met de toename van het TiO2-gehalteaangetoond dat, zonder rekening te houden met het verschil in diameters, de introductie van TiO2 de buigsterkte van PVAc-nanovezels verbeterde. Vergelijkingen (3) - (5) illustreren het driestaps Ti (OC4H9) 4 hydrolyse reactieproces voor TiO2 solpreparaat (R is tert-butoxycarbonylgroep)

(4)(F = kZc, waarbij k de veerconstante van de cantilever is).

  Het effect van TiO2-gehaltes op de elasticiteitsmodulus van PVAc / TiO2 nanovezel werd berekend en samengevat in figuur 4. Zoals te zien is in figuur 4, zijn de elasticiteitsmodulus van PVAc, P / T0,5% en P / T1,0% nanovezels nemen af ​​als de diameterstoeneemt. Er wordt gesuggereerd dat de achteruitgang van de elastische modulus kan worden toegeschreven aan het feit dat afschuifdeformaties een belangrijke factor worden bij verhoudingsgewijs lage lengte-tot-diameter (L / D) verhoudingen (Tan & n CH3CH 2CH 2CH 2OH.

(5)Zoals blijkt uit de vergelijkingen (3) - (5), wordt een grote hoeveelheid OH gegenereerd in het hydrolyseproces. Wanneer TiO2 sol werd gemengd met een PVAc-oplossing, zouden enkele secundaire bindingen of interactiekrachten worden gevormd tussen het moleculaire TiO2-sol (-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.