Nanostałe trzypunktowe zginanie pojedynczego polimeru / nieorganicznego kompozytowego nanowłókien

  Nanowłókna kompozytowe z czystego polioctanu winylu (PVAc) i nanowłóku kompozytowego PVAc / dwutlenek tytanu (TiO2) przygotowano w procesie zol-żel z elektroprzędzeniem. Wpływ zwiększania zawartości TiO2 na rozkład średnicy, morfologię powierzchni,a moduł sprężystości nanowłókien scharakteryzowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) i mikroskopu sił atomowych (AFM) wyposażonego w picoforce. Obrazy SEM wykazały, że średnia średnica kompozytowej nanowłókien zmniejszyła sięwraz ze wzrostem TiO2. Trzypunktowy test zginania wskazał, że moduł sprężystości nanowłókien PVAc / TiO2 znacznie wzrósł wraz ze wzrostem TiO2.

Wprowadzenie

  Od dziesięcioleci nanowłókna polimerowe są znane ze swoich niezwykłych właściwości, takich jak bardzo małe średnice, bardzo duże pole powierzchni na jednostkę masy, mały rozmiar porów i duża porowatość. Ze względu na te doskonałe właściwości polimernanowłókna były stosowane w szerokim zakresie zastosowań, takich jak inżynieria tkankowa, media filtracyjne, odzież ochronna i czujniki (Bhattarai, Yi, Hwang, Chad i Kim, 2004, Li, Li, Ying i Yang, 2009; Veleirinho i Lopes-da-Silva,2009; Zhao, Gou, Bietto, Ibeh i & Hui, 2009). Elektroprzędzanie zostało uznane za prostą i wszechstronną technikę przygotowywania nanowłókien z różnych materiałów. Nanowłókna polimerowe nie są jednak wystarczająco mocne, by można je było zastosować do specjalnych celówAplikacje. Wykazano, że polimer / nieorganiczny nanowłókna można łatwo zsyntetyzować za pomocą kombinacji metod elektrosprzętu zol-żel. Od czasu wprowadzenia nanocząsteczek nieorganicznych nanowłókna polimeroweniosą przewagę materiałów nieorganicznych, takich jak wysoka wytrzymałość, stabilność termiczna i chemiczna (Chronakis, 2005). W celu zbadania wpływu składników nieorganicznych na właściwości mechaniczne nanowłókien polimerowych, kilkametody badań zostały opracowane przez badaczy (Agic i Mijovic, 2005, Hasan, Zhou, & Jeelani, 2007; Rohatgi i wsp., 2008). Jednak mechaniczna charakterystyka pojedynczego nanowłókien nadal znajduje się w fazie eksploracji.

  W niniejszej pracy przygotowano materiał kompozytowy z polioctanu winylu (PVAc) / dwutlenku tytanu (TiO2) o strukturze nanowłóknistej przez elektroprzędzenie. Wskazano strukturę włóknistą i średnicę nanowłókien PVAc / TiO2przez skaningowy mikroskop elektronowy (SEM). Morfologię powierzchni i moduł sprężystości pojedynczego nanowłókien PVAc / TiO2 zbadano za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM) wyposażonego w picoforce.

  Materiały i metody

  Synteza złożonych nanowłókien PVAc / TiO2

Jako prekursor molekularny TiO2 zastosowano tytanian tetrabutylu (Ti (OC4H9) 4). Użyto etanolu i acetonustopień. Diethanolamine w czystości chemicznej został użyty jako środek hamujący proces hydrolizy TBT. Dietanoloaminę o stężeniu 0,5 ml i 0,003 mol Ti (OC4H9) 4 dodano do 14,0 ml etanolu ciągle mieszając (roztwór A),podczas gdy 1,0 ml wody destylowanej dodano do drugiego14,0 ml etanolu (roztwór B). Następnie, roztwór B wkroplono do roztworu A energicznie mieszając przez 5 godzin w temperaturze pokojowej. Po jednorodnym mieszaniu otrzymano zol TiO2. Roztwór PVAc o stężeniu 13% wag. Wynosiłwytworzony przez rozpuszczenie cząstek PVAc w acetonie. Kontrolowaną ilość przygotowanego zolu TiO2 dodano do roztworu acetonowego PVAc, a następnie poddano reakcji w temperaturze pokojowej przez 24 godziny. Tak więc, trzy rozwiązania transportowe PVAc / TiO2 do wynajęciaotrzymano próbki o różnej zawartości zolu TiO2 (0, 0,5 i 1% wag.). W procesie elektroprzędzenia na roztwór znajdujący się w strzykawce nałożono moc wysokiego napięcia (20 kV) za pomocą zacisku krokodylkowego przymocowanego do strzykawkiigła. Roztwór dostarczono do tępej końcówki igły za pomocą pompy do mikroinfuzji (WZ-50C2, Zhejiang, Chiny) w celu kontrolowania szybkości przepływu roztworu w 0,5 ml / h. Włókna elektroprzędzono zebrano na foliach aluminiowych i kratach. Dladogodność, próbki oznaczono jako P / T0,5% dla PVAc / TiO2 z zawartością 0,5% wagowych TiO2 i P / T1,0% dla PVAc / TiO2 z zawartością 1,0% wagowego TiO2.

  Charakteryzacja

  Włókniste struktury nanowłókien obserwowano stosując SEM (HITACHI S-4800, Japonia) po złotej powłoce. Średnią średnicę włókien nanowłókien elektrosprzędzonych zmierzono za pomocą oprogramowania Photoshop CS3. Skanowanie AFM byłowykonywane na urządzeniu CSPM4000 AFM (Benyuan Co. Ltd., Chiny) wyposażonym w siłę pico. Częstotliwość skanowania została ustawiona na 1,0 Hz. Morfologię powierzchni pojedynczego nanowłókna analizowano na podstawie obserwacji AFM.

Trzypunktowy test zginania

  Trzyczopunktowy test zginania w nanoskali wykonano za pomocą końcówki wysięgnika AFM, aby wywierać obciążenie na środkową rozpiętość jednoniciowego nanowłóku zawieszonego na mikro-kratowym rowku kratowym. Końcówka wspornika ze stałą sprężystościZastosowano 0,35 N / m. Mierząc małe ugięcie nanowłókien i przyłożoną siłę oraz stosując teorię gięcia belek, można uzyskać mechaniczne właściwości pojedynczego nanowłókna. Średnice wybranych próbek sąokoło w wielokrotnościach 50 nm dla kontrastu. Ze względu na losowy rozkład średnic nanowłókien, średni moduł sprężystości obliczony w określonej średnicy jest średnią wartością 10 pobliskich próbek, np. elastycznymoduł nanowłókien PVAc w 400 nm jest średnią wartością 10 próbek w zakresie 400-10 nm.

 Wyniki i dyskusja

Struktura włóknista i rozkład średnic nanowłókien PVAc / TiO2 były badane za pomocą SEM i oprogramowania mapującego, jak pokazano na rysunku 1. Na rysunku pokazano, jak powstają struktury włókniste i nanowłóknalosowo rozmieszczone na kolektorze. Obrazy na rysunku 1 wskazują również, że średnia średnica nanowłókien elektroporunowych PVAc / TiO2 znacząco spada wraz ze wzrostem ilości TiO2 z 585 do 287 nm. Wygląda na to, żerozkład średnic kompozytowych nanowłókien na rysunku 1 (b) (100-700 nm) i rysunek 1 (c) (100-500 nm) staje się bardziej jednorodny niż nanowłókien PVAc na rysunku 1 (a) (200-1000 nm).

  Figura 2 przedstawia morfologię powierzchni pojedynczego nanowłókna PVAc / TiO2 o różnej zawartości TiO2. Struktury podobne do cząstek otaczających nanowłókna na fig. 2 są morfologią powierzchni folii aluminiowej. Jak pokazano na rysunku2, skład zolu TiO2 znacząco zmienia charakterystykę powierzchni

Rycina 1. Obrazy SEM i histogramy rozkładu średnic (a) PVAc, (b) P / T0,5% i (c) nanowłókien P / T1.0%.

Rysunek 2. Morfologia powierzchni pojedynczego nanowłókna: (a) PVAc, (b) P / T0,5% i (c) P / T1.0%.

nanowłókien PVAc. Obraz AFM na rysunku 2a pokazuje, że nanowłókna PVAc ma stosunkowo gładką i jednolitą powierzchnię. Złożona nanowłókna na rysunku 2 (b) odsłania nierówną strukturę powierzchni zmarszczek. Jako zawartość TiO2zwiększony do 1% wagowego, nanowłóknista kompozytu (na fig. 2 (c)) miała szorstką powierzchnię z cząsteczkowymi strukturami wzdłuż osi włókna. Z analizy SEM i AFM można wywnioskować, że wzrost zawartości TiO2 nie tylkowpływa na rozdrobnienie i rozkład średnicy, ale oczywiście zmienia również morfologię powierzchni nanowłókien PVAc.

  Właściwości mechaniczne nanowłókien elektroporunowych PVAc / TiO2 mierzono za pomocą AFM na podstawie trzypunktowego testu zginania. Schemat metody trzypunktowego zginania pokazano na rysunku 3 (a). W tej technice włókno jestzawieszony w szczelinie kraty. Końcówka AFM uderza w włókno, powodując deformację. Moduł mierzony w ten sposób jest całą właściwością całego włókna i można go uzyskać na podstawie krzywej siły i odległości AFMsonda. Rycina 3 (b) przedstawia typową krzywą siły i odległości przez AFM, w której zawarta jest wystarczająca informacja o siłach powierzchniowych. Krzywa składa się z sześciu etapów: (1) od A do B, skaner się rozciąga i zbliża się końcówkapowierzchnia próbki, brak interakcji i brak ugięcia wspornika, (2) od B do C, końcówka jest rozciągana, ugięcia spadają w wyniku przyciągania próbki końcówki o długim i krótkim zasięgu, (3) od C do D, jako końcówka styka się z powierzchnią, siładziała na włókno, a wspornik wygina się w górę, (4) od D do E, skaner wycofuje się z próbki, gdy osiągnie punkt E, siła skierowana do góry jest równa przyciąganiu końcówki próbki, (5) od E do F, wspornik wykonuje nagłe odbiciegdy skaner się cofa, kontynuuje i

  (6) od F do A, w pewnej odległości końcówka jest odłączana od próbki, a wspornik powraca do stanu nieodchylonego. Wszystkie następujące parametry sąprzetestowane w procesie rozszerzenia. Znając pionowe przemieszczenie piezoelektrycznego AFM, Z-Z0 i odchylenie wspornika, Zc, pionowe odkształcenie włókna, można obliczyć (równanie (1)) Tombler i wsp., 2000)

  Moduł sprężystości nanowłókien został obliczony na podstawie teorii zginania wiązki z równania (2), gdzie F jest przyłożoną siłą, L jest długością zawieszenia, I jest drugim momentem powierzchni wiązki (gdzie I = Lim, 2004) . Może byćna figurze 4 (wkładka), że wszystkie trzy rodzaje nanowłókien w zakresie 350-500 nm uzyskano z punktów danych. Powiększony obraz pokazuje, że moduł sprężystości rośnie wraz ze wzrostem zawartości TiO2, którewykazali, że bez względu na różnicę średnic wprowadzenie TiO2 poprawiło wytrzymałość nanowłókien PVAc na zginanie. Równania (3) - (5) ilustrują trójstopniowy proces reakcji hydrolizy Ti (OC4H9) 4 dla zolu TiO2preparat (R oznacza grupę tert-butoksykarbonylową)

(4)(F = kZc, gdzie k jest stałą sprężystości wspornika).

  Wpływ zawartości TiO2 na moduł sprężystości nanowłókien PVAc / TiO2 obliczono i podsumowano na rysunku 4. Jak widać na rys. 4, moduł sprężystości PVAc, P / T0,5% i P / T1.0% nanowłókna zmniejszają się jako średnicewzrasta. Sugeruje się, że spadek modułu sprężystości można przypisać faktowi, że odkształcenia poprzeczne stają się ważnym czynnikiem przy relatywnie niskich stosunkach długości do średnicy (L / D) (Tan i n CH3CH 2CH 2CH 2OH.

(5)Jak widać z równania (3) - (5), w procesie hydrolizy powstaje duża ilość - OH. Gdy zol TiO2 zmieszano z roztworem PVAc, powstałyby pewne wiązania wtórne lub siły oddziaływania między cząsteczką TiO2 zol (-OH) i cząsteczkę PVAc (C = O) podczas procesu tworzenia sieci polimer / nieorganiczny, co spowodowało wzmocnienie nanowłókien.

Rysunek 3. Schemat metody trzypunktowego zginania (a) i metody krzywej siła-odległość (b).

Figura 4. Wpływ zawartości TiO2 (0% wagowych, 0.5% wagowych i 1.0% wagowych) na moduł sprężystości (E) nanowłókien PVAc / TiO2.

Wniosek

  W tym badaniu badano wpływ kompozytu organiczno / nieorganicznego na moduł sprężystości nanowłókien. Nanowłókna PVAc i PVAc / TiO2 wytworzono stosując proces zol-żel i metodę elektroprzędzenia. Badanie SEM ujawnioneśrednia średnica nanowłókien spadła wraz ze wzrostem TiO2. Na podstawie obrazów AFM stwierdzono, że rosnący TiO2 doprowadził do powstania szorstkiej powierzchni nanowłókien. Wyniki analizy właściwości gięcia wykazały, żemoduł sprężystości obu nanowłókien PVAc i PVAc / TiO2 zmniejszył się wraz ze wzrostem średnic, ponieważ mniejsze średnice mają większy zakres zmniejszania. Dodanie zolu TiO2 do matrycy PVAc znacznie zwiększyło moduł sprężystościnanowłókna.