النانومتر ثلاثي الانحناء من ألياف نانوية مفردة / غير عضوية مركبة من ألياف نانوية

  تم تحضير المادة النانوية المصنوعة من البوليفينيل النقي (PVAc) و nanofiber و PVAc / ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) بواسطة عملية sol-gel مع electrospinning. تأثير زيادة محتويات TiO2 على توزيع القطر ، مورفولوجيا السطح ،وميزت معامل المرونة من ألياف النانو باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ومجهر القوة الذرية (AFM) مجهزة picoforce. أظهرت صور SEM أن متوسط ​​قطر ألياف النانو المركبة انخفضمع الزيادة في TiO2. وأشار اختبار الانحناء ثلاث نقاط إلى أن معامل المرونة من الألياف النانوية PVAc / TiO2 زيادة كبيرة مع زيادة TiO2.

المقدمة

  لعقود من الزمن ، كانت ألياف النانو البوليمر معروفة بخصائصها الرائعة مثل الأقطار الصغيرة جداً ، ومساحة السطح العالية جداً لكل وحدة كتلة ، وحجم المسام الصغير ، والمسامية العالية. بسبب هذه الخصائص الممتازة ، البوليمروقد استخدمت ألياف النانو في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل هندسة الأنسجة ، ووسائط الترشيح ، والملابس الواقية ، وأجهزة الاستشعار (بهاتاراي ، ويي ، وهوانغ ، وتشاد ، وكيم ، 2004 ؛ لي ، لي ، يينغ ، يانغ ، 2009 ؛ Veleirinho & amp؛ Lopes-da-Silva،2009؛ Zhao، Gou، Bietto، Ibeh، & amp؛ هوي ، 2009). وقد تم التعرف على Electrospinning باعتبارها تقنية بسيطة ومتنوعة لتجهيز ألياف النانو من مجموعة متنوعة من المواد. ومع ذلك ، ألياف النانو البوليمر ليست قوية بما فيه الكفاية لبعض الخاصةالتطبيقات. وقد ثبت أن البوليمر / غير النانوى غير العضوي يمكن تركيبه بسهولة باستخدام توليفة من أساليب الإلكتروسوبول (sol-gel). منذ إدخال الجسيمات النانوية غير العضوية ، ألياف النانو البوليمرتحمل الاستفادة من المواد غير العضوية ، مثل قوة عالية ، والاستقرار الحراري والكيميائي (Chronakis ، 2005). من أجل التحقيق في تأثير المكونات غير العضوية على الخواص الميكانيكية للأغشية النانوية البوليمر ، عدةتم تطوير طرق الاختبار من قبل الباحثين (Agic & Mijovic، 2005؛ Hasan، Zhou & amp؛ Jeelani، 2007؛ Rohatgi et al.، 2008). ومع ذلك ، فإن التوصيف الميكانيكي للألواح النانوية الأحادية لا يزال في مرحلة الاستكشاف.

  في العمل الحالي ، تم تحضير مادة البولي فينيل أسيتات (PVAc) / ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) مع بنية ألياف النانو بواسطة electrospinning. تمت الإشارة إلى البنية الليفية وتوزيع قطر ألياف النانو PVAc / TiO2بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). تم دراسة التشكل السطحي ومعامل المرونة لمانومتر واحد من الألياف PVAc / TiO2 باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) المجهز بباكو فورس.

  المواد والأساليب

  تخليق ألياف نانوية مركبة PVAc / TiO2

تم استخدام محلول Tetrabutyl titanate (Ti (OC4H9) 4) كنذير جزيئي لـ TiO2. كان الإيثانول والأسيتون المستخدمان تحليليًادرجة. واستخدم ثنائي الأمينولامين في درجة نقية كيميائياً كعامل مثبط لعملية التحلل المائي لمركبات ثلاثي بوتيل القصدير. تمت إضافة ديثانولامين من 0.5 مل و 0.003 مول من Ti Ti (OC4H9) 4 إلى إيثانول 14.0 مل مع التقليب المستمر (الحل A) ،بينما تم إضافة 1.0 مل ماء مقطر إلى آخر14.0 مل إيثانول (الحل ب). بعد ذلك ، تمت إضافة الحل B بالتنقيط إلى Solution A مع التقليب القوي لمدة 5 ساعات عند درجة حرارة الغرفة. بعد خلط منتظم ، تم الحصول على TiO2 sol. كان حل PVAc مع تركيز 13 ٪ بالوزنأعد عن طريق إذابة جزيئات PVAc في الأسيتون. تمت إضافة كمية محكومة من محضر TiO2 المحضر في محلول الأسيتون PVAc ، ثم تفاعل عند درجة حرارة الغرفة لمدة 24 ساعة. وهكذا ، ثلاثة حل Transpa الإيجار PVAc / TiO2 مركبتم الحصول على عينات بمحتوى Ti Ti2 مختلف (0 ، 0.5 ، 1٪ بالوزن). في عملية الربط الكهربائي ، تم استخدام طاقة عالية الجهد (20 كيلو فولت) على المحلول الموجود في المحقنة عبر مشبك تمساح ملحق بالمحقنة.إبرة. تم تسليم المحلول إلى طرف إبرة غير حاد عبر مضخة microinfusion (WZ-50C2 ، Zhejiang ، الصين) للتحكم في معدل تدفق المحلول في 0.5 مل / ساعة. تم جمع الألياف electrospun على رقائق الألومنيوم وصريف. إلى عن علىالراحة ، تم تصنيف العينات على أنها P / T0.5٪ لـ PVAc / TiO2 مع 0.5٪ بالوزن من TiO2 و P / T1.0٪ لـ PVAc / TiO2 مع 1.0٪ بالوزن TiO2.

  وصف

  لوحظت التركيبات الليفية للأنسجة النانوية باستخدام SEM (HITACHI S-4800 ، اليابان) بعد طلاء الذهب. تم قياس متوسط ​​قطر الألياف من ألياف النانو electrospun بواسطة برنامج فوتوشوب CS3. كان المسح AFMيتم تنفيذها على CSPM4000 AFM (Benyuan Co. Ltd.، China) المجهزة بالقوة. تم تعيين تردد المسح في 1.0 هرتز. تم تحليل التشكل السطحي للانبوب النانوي الأحادي بناءً على ملاحظات AFM.

اختبار الانحناء ثلاث نقاط

  تم إجراء اختبار الانحناء ثلاثي النقاط النانوي عن طريق استخدام طرف الكابولي AFM لتطبيق حمل على مدى متوسط ​​من ألياف نانوية أحادية الجديلة معلقة فوق أخدود مقضب صغير الحجم. طرف ناتئ بثابت الربيعتم تطبيق 0.35 N / m. من خلال قياس انحراف صغير من ألياف النانو والقوة المطبقة ، وباستخدام نظرية انحناء الحزم ، يمكن الحصول على الخواص الميكانيكية لأغشية نانوية واحدة. أقطار العينات المختارة هيتقريبا في مضاعفات 50 نانومتر على النقيض. وبسبب التوزيع العشوائي لأقطار الألياف النانوية ، فإن متوسط ​​معامل المرونة المحسوب في قطر معين هو متوسط ​​قيمة 10 عينات قريبة ، على سبيل المثال. المرونةمعامل PVAc nanofiber في 400 نانومتر هو متوسط ​​قيمة العينات 10 في نطاق 400-10 نانومتر.

 النتائج والمناقشة

تمت دراسة البنية الليفية وتوزع الألياف النانوية PVAc / TiO2 باستخدام برنامج SEM ورسم الخرائط ، كما هو موضح في الشكل 1. ويلاحظ من الشكل الذي تتشكل به الهياكل الليفية والألياف النانويةتوزيع عشوائي على جامع. تشير الصور في الشكل 1 أيضًا إلى أن متوسط ​​قطر ألياف الكربون النانوية PVAc / TiO2 يقل بشكل ملحوظ مع زيادة كمية TiO2 ، من 585 إلى 287 نانومتر. يبدو أنهيصبح توزيع قطر ألياف النانو المركبة في الشكل 1 (ب) (100-700 نانومتر) والشكل 1 (ج) (100-500 نانومتر) أكثر تماثلاً من ذلك من ألياف النانو ألياف PVAc في الشكل 1 (أ) (200-1000 نانومتر).

  يبين الشكل 2 التشكل السطحي للأنواع النانوية الأحادية PVAc / TiO2 بمحتويات TiO2 المختلفة. إن الهياكل الشبيهة بالجسيمات المحيطة بالمانومتر النانوي في الشكل 2 هي مورفولوجيا سطح رقائق الألومنيوم. كما هو موضح في الشكل2 ، وتكوين TiO2 سول بشكل كبير يغير خصائص السطح

الشكل 1. صور SEM والرسوم البيانية لتوزيع قطر من (أ) PVAc ، (ب) P / T0.5 ٪ ، و (ج) ألياف النانو P / T1.0 ٪.

الشكل 2 الشكل المورفولوجي السطحي لانبوب النانو الواحد: (أ) PVAc ، (ب) P / T0.5 ٪ ، و (ج) P / T1.0 ٪.

من PVAc nanofiber. توضح صورة AFM في الشكل 2 أ أن ألياف نانو PVAc لها سطح أملس نسبيًا وموحد. وتكشف المادة النانوية المركبة في الشكل 2 (ب) عن بنية سطح تجعد غير متساوية. كما محتويات TiO2ارتفعت إلى 1 ٪ بالوزن ، وقدمت ألياف نانوية مركب (في الشكل 2 (ج)) سطح خشن مع هياكل تشبه الجسيمات على طول محور الألياف. من تحليل SEM و AFM ، يمكن استنتاج أن الزيادة في محتويات TiO2 ليس فقطيؤثر على صفاء وتوزيع أقطار ، ولكن من الواضح أيضا أن يغير مورفولوجية سطح ألياف النانو PVAc.

  تم قياس الخواص الميكانيكية للألياف النانوية PVAc / TiO2 باستخدام جهاز AFM على أساس اختبار الثني ثلاثي النقاط. يوضح الشكل 3 (أ) التخطيطي لطريقة الثني بثلاث نقاط. في هذه التقنية ، الأليافعلقت عبر الفجوة من مقضب. رأس AFM يؤثر على الألياف ، مما تسبب في تشوه. إن المعيار الذي يتم قياسه بهذه الطريقة هو خاصية كاملة من ألياف كاملة ، ويمكن الحصول عليها من منحنى قوة المسافة من AFMمسبار. يعرض الشكل 3 (ب) منحنى قوة - مسافة نموذجية بواسطة AFM ، حيث يتم تضمين المعلومات الكافية عن القوى السطحية. يتكون المنحنى من ست مراحل: (1) من أ إلى ب ، وتمتد الماسحة الضوئية ويقترب الطرفسطح العينة ، لا تفاعل ولا انحراف ناتئ ، (2) من B إلى C ، يتم سحب الحافة لأسفل ، قطرات انحراف بسبب عوامل الجذب قصيرة المدى وقصيرة المدى ، (3) من C إلى D ، اتصالات طرف السطح ، قوةيعمل على الألياف وينحني ناتئ إلى أعلى ، (4) من D إلى E ، يتراجع الماسح الضوئي من العينة ، عند الوصول إلى النقطة E ، القوة المتصاعدة مساوية لجاذبية عينة طرفية ، (5) من E إلى F ، ناتئ ينفذ انتعاش مفاجئكما يتراجع الماسح الضوئي لا يزال ، و

  (6) من F إلى A ، على مسافة معينة يتم فصل الطرف عن العينة ويعود ناتئ إلى حالته غير المنحلة. جميع المعلمات المتبعة هياختبارها في عملية التمديد. إن معرفة التشتت العمودي للبيزو AFM ، Z – Z0 ، والانحراف على شكل cantile- ver ، Zc ، التشوه الرأسي للألياف ، يمكن حسابه (المعادلة (1)) Tombler et al.، 2000)

  تم حساب معامل مرونة ألياف النانو من نظرية انحناء الحزمة المعطاة بالمعادلة (2) ، حيث F هي القوة المطبقة ، L هو الطول المعلق ، I هي اللحظة الثانية لمساحة الحزمة (حيث I = Lim ، 2004) . يمكن أن يكون كذلكينظر في الشكل 4 (الشكل) أن جميع الأنواع الثلاثة من ألياف النانو في نطاق 350-500 نانومتر تم الحصول عليها من نقاط البيانات. تكشف الصورة المكبرة أن معامل المرونة يزيد مع زيادة محتويات TiO2 ، والتيأظهرت أنه من دون النظر إلى اختلاف أقطار ، فإن مقدمة TiO2 حسّنت من قوة الانحناء لمادة PVAc النانوية. توضح المعادلات (3) - (5) عملية تفاعل التحلل المائي ثلاثي الخطوات (OC4H9) 4 لـ TiO2 solالتحضير (R هو مجموعة tert-butoxycarbonyl)

(4)(F = kZc ، حيث k هو ثابت الربيع من الكابولي).

  تم حساب تأثير محتويات TiO2 على معامل المرونة من الألياف النانوية PVAc / TiO2 وتلخيصها في الشكل 4. كما يتبين من الشكل 4 ، معامل المرونة من PVAc ، P / T0.5 ٪ ، و P / T1.0 ٪ ألياف النانو ينقص كأقطاريزيد. يقترح أن انخفاض معامل المرونة يمكن إرجاعه إلى حقيقة أن تشوهات القص تصبح عاملاً مهمًا عند نسب طول إلى قطر (L / D) منخفضة نسبيًا (Tan & amp؛ n CH3CH 2CH 2CH 2OH).

(5)كما يتضح من المعادلات (3) - (5) ، يتم توليد كمية كبيرة من - OH في عملية التحلل المائي. عندما تم خلط TiO2 sol بمحلول PVAc ، يتم تكوين بعض الروابط الثانوية أو قوى التفاعل بين الجزيء TiO2 sol الجزيئي (-OH) و PVAc الجزيئي (C = O) خلال عملية تكوين شبكة البوليمر / غير العضوية ، مما أدى إلى تعزيز ألياف النانو.

الشكل 3. رسم تخطيطي لطريقة منحنية ثلاثية النقاط (أ) وطريقة منحنى قوة المسافة (ب).

الشكل 4. تأثير محتويات TiO2 (0٪ بالوزن ، 0.5٪ بالوزن ، و 1.0٪ بالوزن) على معامل المرونة (E) من الألياف النانوية PVAc / TiO2.

استنتاج

  بحثت هذه الدراسة في تأثير المركبات العضوية / غير العضوية على معامل المرونة من ألياف النانو. تم تصنيع PVAc و PVAc / TiO2 ألياف النانو باستخدام عملية sol-gel وطريقة electrospinning. كشف الفحص SEMانخفض متوسط ​​قطر ألياف النانو مع زيادة TiO2. تم العثور عليه من صور AFM أن زيادة TiO2 أدى إلى تشكيل سطح خشن من ألياف النانو. نتائج تحليل العقارات الانحناء أشار إلى أنانخفض معامل المرونة لكلا من الألياف PVAc و PVAc / TiO2 مع زيادة في أقطار ، وأقطار أصغر لديها أكبر انخفاض المدى. إضافة TiO2 سول إلى مصفوفة PVAc يعزز بشكل كبير من معامل المرونةألياف النانو.