Влияние параметров окружающей среды на процесс электроформования

На процесс электроформования (ЭФ) и качество нановолокон влияют такие параметры как температура и относительная влажность.

От параметров окружающей среды зависит способность полимерного раствора к формованию и получению однородных, бездефектных нановолокон.

Пористые волокна (В.Е.Тео и соавторы, J. Com.
Sci. Tech. 2009; 69: 1804; © ElsevierLtd.
Все права защищены)

На примере полистирола было показано, что возрастание влажности ведет к увеличению диаметра волокон (Ким и соавторы, 2004, Фашанди и Карими, 2012). Подобное наблюдение было сделано Икоглу и соавторами (2013) при ЭФ полиимидоэфира. При высокой относительной влажности происходит конденсация воды на поверхности полимерной струи, что ведет к быстрому выделению полимера, предотвращению ее дальнейшего растяжения и, как следствие,  - формированию волокон большего диаметра (Икоглу и соавторы, 2013; Фашанди и Карими, 2012). Низкая относительная влажность может способствовать быстрому испарению растворителя и отверждению полимера, что вызывает увеличение диаметра волокна.

Голин (2014) продемонстрировал этот эффект на волокнах типа ядро-оболочка (оболочка поликапролактон, ядро полиэтиленгликоль). Было показано, что у некоторых полимеров высокая относительная влажность, напротив,  вызывает сокращение диаметра волокна. Хтайк и соавторы (2012) продемонстрировали взаимосвязь величины влажности и способности раствора поглощать воду. При ЭФ поливинилового спирта наблюдалось небольшое сокращение диаметра волокна, при увеличении значений относительной влажности с 20% до 70%.  Подобное сокращение диаметра волокна с увеличением влажности было обнаружено при формовании ацетата целлюлозы (Хардик и соавторы, 2010). Тем не менее, у «водочувствительных» полимеров необходимо найти оптимальное значение относительной влажности.

Было обнаружено, что влажность окружающей среды при ЭФ влияет и на морфологию нановолокон. В частности, в случае водорастворимых волокон лучше вести процесс ЭФ при низкой влажности, поскольку высокое содержание воды в окружающей среде может привести к формированию склеенных волокон или появлению на нановолокнах так называемого «бисера». Накагава и соавторы показали, что при ЭФ поливинилпирролидона при влажности более 50% на волокнах наблюдается наличие «бисера», увеличение относительной влажности более 60% приводит к склеиванию волокон, а при 70% влажности вместо волокон формируется пленка.

Похожий результат был получен Бонино и соавторами (2012) на примере альгинат/полиэтиленоксид (ПЭО) (при увеличении влажности до 60%). Тем не менее, при высокой влажности не было отмечено образование «бисера», хотя качество волокон ухудшилось (Рагаван и соавторы, 2011). Формирование дефектов на нановолокнах может зависеть также от других факторов, например, молекулярного веса полимера и температуры среды.  Электроформование ПЭО, проведенное Льянгом и соавторами (2014) демонстрирует увеличение количества дефектов при высокой относительной влажности. Как было отмечено выше, стремительное ускорение струи в среде с высокой влажностью вызывает конденсацию каплей воды на струе.  У водорастворимых полимеров это может снизить концентрацию раствора из-за поглощения воды. Янг и соавторы изучили влияние разницы между давлением насыщенных паров растворителя и окружающей влажностью чтобы объяснить влияние влажности на ЭФ. Если разница давления насыщенных паров и фактического давления паров небольшая, невозможно сформировать волокно, из-за снижения скорости испарения растворителя. Однако при выборе растворителя с более высокой скоростью испарения, волокно можно сформировать при той же влажности (Янг и соавторы, 2006). У неполярных полимеров влияние влажности на формирование дефектов может быть иным. Фашанди и Карими (2012) обнаружили, что при относительной влажности 10% и менее дефекты в виде утолщений формируются на ЭФ волокнах полистирола независимо от температуры окружающей среды, поэтому высокая влажность предпочтительна для получения гладких волокон. Фашанди и Карими (2012) предположили, что при высокой влажности вода, поглощенная полимерной струей, повышает ее вязкоэластичные характеристики, предотвращая формирование утолщений.

Фазовая диаграмма показывает взаимодействие полимера и растворителя при различных температурах и используется для прогнозирования условий, при которых полимер подвергнется фазовым превращениям. В условиях высокой влажности вода может поглощаться формовочным раствором, тогда формируется трехфазная система. Фашанди и Карими (2012) провели обширные исследование влияния соотношений N, N-диметилформамида (ДМФ) и тетрагидрофурана (ТГФ)  на процесс ЭФ раствора полистирола при различной температуре и влажности. При ЭФ из раствора в ДМФ увеличение влажности вызывает формирование «глубинных» пор на нановолокнах из-за поглощения и конденсации водяного пара полимерной струей, в результате образуется бинарная смесь и затем фазовое разделение. Тем не менее, с увеличением температуры зона смешения расширяется, и  фазовое разделение происходит при более высокой влажности. В растворе с ТГФ  фазовое разделение не происходит до 60% относительной влажности. Формирование  пор на поверхности волокон связывали с фазовым разделением жидкость-жидкость, при этом возникновение пор в толще волокна объясняли поверхностным натяжением на границе раствор – воздух (Фашанди и Карими, 2012). Хотя температура и влажность, вероятно, имеют значение для фазового разделения, их точная роль пока не выяснена.

Формирование пор на поверхности ЭФ волокон также связывают с влажностью, считается, что большая влажность способствует формированию  пор. Это показано на примере ЭФ полистирола (Каспер и соавторы, 2004; Мегельски и соавторы, 2002), поликарбоната (ПК) и полиметилметакрилата (ПММА) (Мегельски и соавторы, 2002).

Хотя поверхностные поры на волокнах можно обнаружить в различных сочетаниях полимер – растворитель, большее количество поверхностных пор  образуется при ЭФ раствора с более высокой скоростью испарения растворителя (Мегельски и соавторы, 2002; Фашанди и Карими, 2012). При сравнении полимеров полистирола, ПК, ПММА и ПЭО только волокна на основе ПЭО оказались гладкими (Мегельски и соавторы, 2002). Было выдвинуто предположение, что конденсация капелек воды на полимерной струе при ЭФ, которая не является растворителем для полистирола, ПК и ПММА, вызывает формирование поверхностных пор (Мегельски и соавторы, 2002), при этом вода, являющаяся растворителем для ПЭО, не приводит к образованию пор.

 При формировании трехмерной нановолоконной структуры влияние влажности обнаруживается реже. При составе раствора, который формирует 2 D нановолоконную структуру без модификации установки, 3D структуры не будут формироваться, если влажность превышает 60% или оказывается ниже 20% (Бонино и соавторы, 2012).

Было показано, что влажность также влияет при формировании  мембраны c рифленой структурой или сотовой конструкцией. Это продемонстрировали в своей работе Льянг и соавторы (2014) на примере ЭФ нановолокон из раствора ПЭО. Они показали, что, относительная влажность 73% может быть оптимальным условием, при котором раствор ПЭО достигает достаточной влажности для формирования отчетливой сотовой структуры.

Наряду с влажностью, на формирование поверхностных пор оказывает влияние температура. Быстрое испарение растворителя при высокой температуре приводит к неравномерному распределению пор на волокнах поли-L-лактида, при этом низкая температура (ниже температуры кипения растворителя) способствует образованию равномерно распределенных пор на поверхности нановолокон (Йу и соавторы, 2013). Один из способов обеспечить высокую температуру воздуха при прядении – использовать инфракрасный излучатель, направленный на прядильную струю (Ванг и соавторы, 2009).

Температура в процессе ЭФ оказывает влияние и на диаметр образующихся волокон. При повышении температуры вязкость раствора полимера снижается, что способствует его большему растяжению, формируя волокна меньшего диаметра. Икоглу и соавторы (2013) показали, что при повышении температуры с 10°C до 35°C диаметр волокон на основе полиимидоэфира может сократиться на 50%. Подобное сокращение диаметра волокна при высокой температуре также наблюдалось в случае ЭФ ацетилцеллюлозы (Хардик и соавторы, 2010).

Чжан и соавторы (2009) получили раствор желатина (30% масс.), растворив его в  воде при температуре  40°C. При температуре ниже 30°C, ЭФ оказалось невозможным из-за высокой вязкости раствора желатина, а при температуре 35°C вязкость снизилась достаточно, чтобы процесс ЭФ оказался возможным. С увеличением температуры до 50°C диаметр волокон снизился с 250 нм (при 35°C) до 170 нм (при 50°C).

Морфология волокон также зависит от температуры среды при ЭФ. Амиралиян и соавторы (2009) показали, что при увеличении температуры поперечное сечение нановолокна шелка меняет форму (наблюдается уплощение волокна). При повышенной температуре наблюдалось большее разветвление. Разветвление или раздвоение вторичной струи в процессе ЭФ может быть связано с нестабильностью струи и неравномерным распределением зарядов вдоль струи, формование при повышенной температуре может вызывать подобные процессы (Амиралиян и соавторы, 2009).

Параметры процесса ЭФ, такие как напряжение, режим подачи и концентрация раствора устанавливаются в зависимости от условий окружающей среды. К сожалению, иногда не практично иметь установку для ЭФ в закрытом помещении с внутренним климат контролем, где требуется регулярно удалять пары растворителя. Помещение не должно быть слишком маленьким, так как стены помещения влияют на профиль электрического поля и таким образом на струю ЭФ. В этом случае необходимо провести повторную оптимизацию параметров ЭФ для соответствия температуре и влажности.

 

Источник: http://electrospintech.com/

Яндекс.Метрика