Dobra de três pontos em nanoescala de nanofibras de polímero único / compósito inorgânico

  As nanofibras de compósito puro de polivinila (PVAc) e PVAc / dióxido de titânio (TiO2) foram preparadas pelo processo sol-gel com eletrofiação. O efeito do aumento dos teores de TiO2 na distribuição de diâmetros, morfologia da superfície,O módulo de elasticidade de nanofibras foi caracterizado utilizando um microscópio eletrônico de varredura (MEV) e um microscópio de força atômica (AFM) equipado com picoforce. Imagens de MEV mostraram que o diâmetro médio da nanofibra composta diminuiucom o aumento do TiO2. O teste de flexão de três pontos indicou que o módulo de elasticidade da nanofibra de PVAc / TiO2 aumentou significativamente com o aumento do TiO2.

Introdução

  Por décadas, as nanofibras de polímero são conhecidas por suas propriedades notáveis, como diâmetros muito pequenos, área de superfície muito alta por unidade de massa, tamanho de poro pequeno e alta porosidade. Devido a estas excelentes propriedades, o polímeronanofibras têm sido usadas para uma ampla gama de aplicações, tais como engenharia de tecidos, mídia de filtro, roupas de proteção e sensores (Bhattarai, Yi, Hwang, Chad e Kim, 2004; Li, Li, Ying, & Yang, 2009; Veleirinho e Lopes-da-Silva,2009; Zhao, Gou, Bietto, Ibeh, & Hui, 2009). A electrospinning foi reconhecida como uma técnica simples e versátil para preparar nanofibras a partir de uma variedade de materiais. No entanto, as nanofibras de polímero não são fortes o suficiente paraaplicações. Foi demonstrado que o polímero / nanofibra inorgânica pode ser prontamente sintetizado usando uma combinação de métodos de eletrofiação de processo sol-gel. Desde a introdução de nanopartículas inorgânicas, nanofibras poliméricascarregam a vantagem de materiais inorgânicos, tais como alta resistência, estabilidade térmica e química (Chronakis, 2005). A fim de investigar o efeito de componentes inorgânicos nas propriedades mecânicas de nanofibras poliméricas, váriosos métodos de teste foram desenvolvidos por pesquisadores (Agic e Mijovic, 2005; Hasan, Zhou, & Jeelani, 2007; Rohatgi et al., 2008). No entanto, a caracterização mecânica da nanofibra simples ainda está em fase de exploração.

  No presente trabalho, material compósito de acetato de polivinila (PVAc) / dióxido de titânio (TiO2) com estrutura nanofibrosa foi preparado por eletrofiação. A estrutura fibrosa e a distribuição de diâmetro das nanofibras de PVAc / TiO2 foram indicadaspor um microscópio eletrônico de varredura (SEM). A morfologia da superfície e o módulo de elasticidade da nanofibra PVAc / TiO2 foram investigados usando um microscópio de força atômica (AFM) equipado com picoforce.

  materiais e métodos

  Síntese de nanofibras compostas de PVAc / TiO2

A solução de titanato de tetrabutila (Ti (OC4H9) 4) foi utilizada como precursor molecular do TiO2. O etanol e a acetona utilizados foram analíticosgrau. A dietanolamina em grau quimicamente puro foi utilizada como agente inibidor do processo de hidrólise do TBT. Dietanolamina de 0,5 ml e 0,003 mol Ti (OC4H9) 4 foram adicionados a 14,0 ml de etanol com agitação constante (Solução A),enquanto 1,0 ml de água destilada foi adicionada a outra14,0 ml de etanol (soluo B). Em seguida, a solução B foi adicionada gota a gota à solução A com agitação vigorosa durante 5 horas à temperatura ambiente. Após a mistura uniforme, o sol de TiO2 foi obtido. Solução de PVAc com uma concentração de 13% empreparado dissolvendo as partículas de PVAc em acetona. Uma quantidade controlada de sol de TiO2 preparado foi adicionada à solução de acetona PVAc, depois reagiu à temperatura ambiente por 24 h. Assim, três soluções compostas PVAc / TiO2amostras com diferentes teores de TiO2 (0, 0,5 e 1% em peso) foram obtidas. No processo de electrospinning, uma alta tensão de energia (20 kV) foi aplicada à solução contida em uma seringa através de um clipe jacaré ligado à seringaagulha. A solução foi entregue à ponta da agulha romba através de uma bomba de microinfusão (WZ-50C2, Zhejiang, China) para controlar o caudal da solução em 0,5 ml / h. As fibras electrospun foram recolhidas em folhas de alumínio e grades. ParaPor conveniência, as amostras foram rotuladas como P / T0.5% para PVAc / TiO2 com teores de TiO2 de 0,5% e P / T1.0% para PVAc / TiO2 com teores de TiO2 de 1,0%.

  Caracterização

  As estruturas fibrosas das nanofibras foram observadas utilizando o MEV (HITACHI S-4800, Japão) após um revestimento de ouro. O diâmetro médio das fibras das nanofibras elétricas foi medido pelo Photoshop CS3 Software. A digitalização do AFM foirealizado em um CSPM4000 AFM (Benyuan Co. Ltd., China) equipado com pico-força. A frequência de varredura foi ajustada em 1,0 Hz. A morfologia da superfície da nanofibra simples foi analisada com base nas observações do AFM.

Teste de flexão de três pontos

  O teste de flexão de três pontos em nanoescala foi realizado usando a ponta de cantiléver AFM para aplicar uma carga sobre o meio vão de uma nanofibra de fita simples suspensa sobre uma ranhura de grade de tamanho micro. Uma ponta cantilever com uma constante de mola de0,35 N / m foi aplicado. Ao medir a pequena deflexão da nanofibra e a força aplicada, e usando a teoria de flexão de vigas, as propriedades mecânicas de uma única nanofibra podem ser obtidas. Os diâmetros dos espécimes selecionados sãoaproximadamente em múltiplos de 50 nm para contraste. Devido à distribuição aleatória dos diâmetros das nanofibras, o módulo de elasticidade médio calculado em um determinado diâmetro é o valor médio de 10 espécimes próximos, por ex. o elásticomódulo de nanofibras PVAc em 400 nm é o valor médio dos 10 espécimes na faixa de 400-10 nm.

 Resultados e discussão

A estrutura fibrosa e a distribuição dos diâmetros das nanofibras de PVAc / TiO2 foram investigadas utilizando-se o software de mapeamento e MEV, conforme ilustrado na Figura 1. Observa-se a partir da figura como estruturas fibrosas são formadas e as nanofibras são formadas.distribuídos aleatoriamente no coletor. As imagens na Figura 1 também indicam que o diâmetro médio das nanofibras de PVAc / TiO2 eletromagnético diminui significativamente à medida que a quantidade de TiO2 aumenta, de 585 para 287 nm. Parece quea distribuição de diâmetro das nanofibras compósitas na Figura 1 (b) (100–700 nm) e a Figura 1 (c) (100–500 nm) torna-se mais uniforme do que as nanofibras de PVAc na Figura 1 (a) (200–1000 nm).

  A figura 2 revela a morfologia da superfície da nanofibra PVAc / TiO2 simples com diferentes teores de TiO2. As estruturas parecidas com partículas que circundam a nanofibra na Figura 2 são a morfologia da superfície das folhas de alumínio. Como ilustrado na figura2, a composição do sol de TiO2 altera significativamente as características da superfície

Figura 1. Imagens de SEM e histogramas de distribuição de diâmetro de (a) PVAc, (b) P / T0,5% e (c) P / T1.0% de nanofibras.

Figura 2. Morfologia da superfície da nanofibra simples: (a) PVAc, (b) P / T0,5%, e (c) P / T1.0%.

da nanofibra PVAc. A imagem AFM na Figura 2a mostra que a nanofibra PVAc tem uma superfície relativamente lisa e uniforme. A nanofibra composta na Figura 2 (b) revela uma estrutura irregular da superfície das rugas. Como o conteúdo do TiO2aumentada para 1% em peso, a nanofibra composta (na Figura 2 (c)) apresentou uma superfície rugosa com estruturas parecidas com partículas ao longo do eixo da fibra. A partir da análise de MEV e AFM, pode-se concluir que o aumento nos teores de TiO2 não sóinfluencia a finura e distribuição de diâmetros, mas também obviamente altera a morfologia da superfície das nanofibras de PVAc.

  As propriedades mecânicas das nanofibras PVAc / TiO2 foram medidas usando um AFM baseado no teste de flexão de três pontos. Um esquema do método de flexão de três pontos é mostrado na Figura 3 (a). Nesta técnica, uma fibra ésuspenso em toda a abertura de uma grade. A ponta do AFM colide com a fibra, causando a deformação. O módulo medido desta maneira é uma propriedade inteira de uma fibra inteira, e pode ser obtido a partir da curva força-distância do AFMsonda. A Figura 3 (b) apresenta uma curva de força-distância típica por AFM, na qual estão incluídas as informações suficientes sobre as forças de superfície. A curva é composta por seis etapas: (1) de A a B, o scanner se estende e a ponta se aproximaa superfície da amostra, sem interação e sem deflexão do cantilever, (2) de B para C, a ponta sendo puxada para baixo, gotas de deflexão devido a atrações de amostra ponta longa e curta, (3) de C a D, como ponta entra em contato com a superfície, uma forçaatua na fibra e o cantilever se inclina para cima, (4) de D para E, o scanner se retrai da amostra, quando atingir o ponto E, a força para cima igual à atração tip-sample, (5) de E para F, Cantilever executa uma recuperação repentinaenquanto o scanner se retrai continua, e

  (6) de F para A, a uma certa distância, a ponta é retirada da amostra e o cantilever volta ao seu estado não-defletido. Todos os parâmetros seguidos sãotestado no processo de extensão. Conhecendo o deslocamento vertical do piezo AFM, Z-Z0, e a deflexão cantil, Zc, a deformação vertical da fibra, pode ser calculada (Equação (1)) Tombler et al., 2000)

  O módulo elástico das nanofibras foi calculado a partir da teoria de flexão dada pela Equação (2), onde F é a força aplicada, L é o comprimento suspenso, I é o segundo momento da área da viga (onde I = Lim, 2004) . Também pode servimos na Figura 4 (inserção) que todos os três tipos de nanofibras na faixa de 350–500 nm foram obtidos a partir de pontos de dados. A imagem ampliada revela que o módulo elástico aumenta com o aumento do conteúdo de TiO2, quedemonstraram que, sem considerar a diferença de diâmetros, a introdução do TiO2 melhorou a resistência à flexão da nanofibra de PVAc. As equações (3) - (5) ilustram o processo da reação de hidrólise do Ti (OC4H9) 4 em três etapas para o sol de TiO2preparação (R ​​é um grupo terc-butoxicarbonilo)

(4)(F = kZc, onde k é a constante de mola do cantilever).

  O efeito dos teores de TiO2 no módulo elástico da nanofibra PVAc / TiO2 foi calculado e resumido na Figura 4. Como pode ser visto na Figura 4, o módulo elástico de PVAc, P / T0,5%, e P / T1.0% nanofibras diminui conforme os diâmetrosaumenta. É sugerido que o declínio do módulo de elasticidade pode ser atribuído ao facto de as deformações de corte se tornarem um factor importante em razões de comprimento-diâmetro (L / D) relativamente baixas (Tan @ n CH3CH2CH2CH2OH.

(5)Como visto nas Equações (3) - (5), uma grande quantidade de - OH é gerada no processo de hidrólise. Quando o TiO2 sol foi misturado com a solução de PVAc, algumas ligações secundárias ou forças de interação seriam formadas entre o TiO2 sol molecular (-OH) e PVAc molecular (C = O) durante o processo de formação de polímero / rede inorgânica, o que resultou no reforço de nanofibras.

Figura 3. Esquema do método de flexão de três pontos (a) e método da curva força-distância (b).

Figura 4. Efeito dos teores de TiO2 (0% em peso, 0,5% em peso e 1,0% em peso) no módulo de elasticidade (E) da nanofibra de PVAc / TiO2.

Conclusão

  Este estudo investigou o efeito do compósito orgânico / inorgânico no módulo elástico de nanofibras. As nanofibras PVAc e PVAc / TiO2 foram fabricadas utilizando o processo sol-gel e o método de eletrofiação. Exame SEM reveladoque o diâmetro médio das nanofibras diminuiu com o aumento do TiO2. Foi constatado em imagens de AFM que o TiO2 crescente levou à formação de superfície rugosa de nanofibras. Os resultados da análise da propriedade de dobra indicaram que oO módulo elástico das nanofibras PVAc e PVAc / TiO2 diminuiu com o aumento dos diâmetros, uma vez que os diâmetros menores têm maior extensão de queda. A adição de TiO2 sol à matriz de PVAc aumentou significativamente o módulo elásticonanofibras.