纳米静电纺丝机:乳液静电纺丝法制备PDMS/PMMA纳米纤维的参数优化

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纳米静电纺丝机:乳液静电纺丝法制备PDMS/PMMA纳米纤维的参数优化

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https://www.wemaxnano.com/news/industrynews/308.html

纳米静电纺丝技术是制备聚合物纳米纤维的重要方法之一，尤其适用于制备具有特殊性能的纳米纤维材料。本文系统研究了乳液静电纺丝法制备PDMS/PMMA纳米纤维的参数优化问题，通过实验确定了最佳工艺参数，并对制备的纳米纤维进行了表征分析。

研究背景

随着人们对新材料的需求不断扩大，这些材料必须能够开发目前尚未开发的潜在能源和额外的功能，聚合物纳米复合材料最近引起了人们的广泛关注。由于大多数聚合物具有电负性以及许多具有令人印象深刻的灵活性、耐久性和多功能性，这使它们成为纳米电子学和可穿戴电子产品应用的理想候选者。

纳米材料是指至少有一个维度低于100纳米的材料，与光滑表面相比，纳米材料具有更高的有效表面积。然而，聚合物的低活性和化学惰性限制了对纳米结构聚合物材料的高需求。聚合物的本体改性在制造业中引起了广泛的关注，而微/纳米尺度的表面调谐仍未得到广泛的探索。

为了获得纳米结构的聚合物表面，必须在聚合物固化过程中对表面形貌进行修饰，以便于制造。在基底上浇铸光滑薄膜的情况下，后续的纳米结构步骤可能具有挑战性，并且广泛限于利用等离子体纳米纹理或激光等方法对表面材料进行物理腐蚀。

静电纺丝聚合物是一种可一步扩展的纳米结构聚合物薄膜生产方法，尤其适用于纺织摩擦电纳米发电机（T-TENG）。由于所得到的材料既具有织物的特性（透气性和耐磨性），又可以为其应用量身定制，因此人们对其越来越感兴趣。纳米纤维（NFs）具有令人印象深刻的表面积体积比，允许更多的表面电荷在每个接触点之间转移，同时最大限度地减少由于饱和效应造成的电荷损失。与聚合物薄膜相比，以这种方式使用的聚合物纳米纤维具有更高的电输出。

在生产聚合物纳米纤维时，通常考虑两种主要的静电纺丝方法：乳液静电纺丝和同轴静电纺丝。它们的主要区别在于如何制备溶液并将其注入系统。乳化静电纺丝是将两种或两种以上的液体在溶液中乳化，然后通过一个喷丝管喷嘴纺丝，从而得到一种单一的混合NF。同轴静电纺丝的工作原理是通过喷丝器将不同的材料分层，从而产生芯-鞘nf。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是摩擦电材料系列中最具摩擦负性的材料之一，据报道其电荷密度为1.42 W/m - 2。固化后，该聚合物具有无毒性、柔韧性、疏水性、化学惰性和热惰性，固化后具有良好的透明度。这些特性使PDMS成为可穿戴电子产品应用的理想候选者。然而，一些相同的特性也使其具有挑战性，因为它不溶于许多不同的溶剂，并且一旦铸造，就需要固化。它的使用主要局限于材料涂层和聚合物薄膜，虽然被证明是有效的，但会降低材料的整体透气性，并且当材料用于可穿戴电子产品时是有害的。

通过静电纺丝聚合物，可以制造出纳米纤维垫，并直接应用于织物基底，同时保留织物的透气性和PDMS NFs的所有有益特性。由于表面积体积比的大幅增加，这也应该提高材料的整体电气性能。然而，由于PDMS具有较小的聚合物链，在固化之前，静电纺丝这种材料是具有挑战性的，通常需要使用另一种具有较长分子链的聚合物，这种聚合物可以作为主干，通过它PDMS可以形成键，直到它可以在静电纺丝后固化。这种纳米纤维已被成功合成用于医学领域，如盐过滤和废水处理。然而，大多数都是通过同轴静电纺丝实现的，尽管该方法避免了材料带来的许多挑战，但它通过使用客观上更复杂的系统设置来实现，该系统使用两个或更多的喷嘴和溶液来创建核心-鞘层NF。乳液静电纺丝的挑战主要来自所使用的材料，可以系统地看待。对于这种共聚物共混物，每种聚合物都使用彼此高度不混溶的溶剂，因此进行共轴纺丝。为了使用乳液纺丝，必须确定桥接溶剂。此外，仪器的参数优化通常被认为是材料特性的次要因素，因为它们通常被认为对工艺具有相同的已知影响，而不管电纺的材料是什么，并且只影响最终纤维的均匀性。然而，在静电纺丝聚合物（如PTFE或PDMS）的情况下，参数优化在每个加工步骤中都是至关重要的，因为这些聚合物的摩擦系数极低，这使得难以产生喷雾或纤维，并且通常会导致聚合物和金属针之间的滑动。到目前为止，还没有关于静电纺丝对PDMS/PMMA纳米纤维参数优化的系统研究报道，特别是在施加电压、流速和集电极距离方面。

本文报道了用乳液静电纺丝设备成功合成聚甲基丙烯酸甲酯/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维。对合成方法的参数优化进行了系统的研究。在最终报告最佳参数之前，它还研究了供电电压、流量和集电极距离等参数。然后研究了优化后的静电纺丝纳米纤维的化学和物理性能。此外，研究人员还探索了将NFs直接沉积到商用聚酯织物上的可能性，作为将该工艺与当前制造实践相结合的潜在途径。

摘要

随着纳米纤维在功能材料和绿色能源材料领域的巨大应用潜力，静电纺丝已经成为一种越来越有趣的制造方法，产生了许多不同的方法来制造不同类型的纳米纤维。然而，由于化学或仪器的限制，一些聚合物纳米纤维只能用同轴或乳液静电纺丝方法合成。迄今为止，通过静电纺丝制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纳米纤维仅限于同轴法。这些纳米纤维已被用于医疗领域以及环境修复工作，如膜和过滤器，以及新时代的可穿戴电子产品。此外，目前还没有关于静电纺丝对PDMS/PMMA纳米纤维参数优化的系统研究，特别是关于施加电压、流速和集电极距离的研究。本文通过优化的乳液静电纺丝法合成了一种PDMS/PMMA共聚物纳米纤维，并对其进行了表征。通过对静电纺丝工艺参数的系统研究，在18.5 kV供电电压、10 cm尖端集电极距离和0.2 mL/h的流速条件下，制备出了平均直径为~ 199 nm、接触角为~ 162°的超疏水性纳米纤维。

结论

探讨了乳液静电纺丝设备合成PDMS/PMMA纳米纤维的方法。优化的供电电压为18.5 kV，尖端集电极距离为10 cm，流速为0.2 mL/h，以确保尽可能低的串流效果。NFs具有理想的物理和化学性质，其平均直径约为199 nm，高表面积，相对均匀性和约160°的超疏水性，显示出两种母聚合物的遗传特性，使其成为进一步研究其在可穿戴电子产品中的应用的理想候选材料。利用聚乙烯对NF在商用织物上的沉积进行了初步研究。结果表明，虽然沉积在这种材料上是一种可行的合成方法，但两种材料之间的粘附性还需要进一步研究。

图1.ALF-NF和PE-NF样品FESEM成像比较。a) 1.00 kX放大倍率下的ALF-NF纳米纤维垫。b) ALF-NFs在6.5 kX倍率下的近距离扫描电镜成像。c)广泛PE-NF垫1.00 kX放大的照片。b) PE-NFs在5.5 kX放大率下的特写图像。