Flexion à trois points à l'échelle nanométrique d'une nanofibre composite polymère / inorganique

  La nanofibre pure en acétate de polyvinyle (PVAc) et la nanofibre composite en PVAc / dioxyde de titane (TiO2) ont été préparées par un procédé sol-gel avec électrofilage. L’effet de l’augmentation des teneurs en TiO2 sur la distribution en diamètre, la morphologie de surface,et le module d'élasticité des nanofibres a été caractérisé en utilisant un microscope électronique à balayage (SEM) et un microscope à force atomique (AFM) équipé de picoforce. Les images au MEB ont montré que le diamètre moyen des nanofibres composites avait diminuéavec l'augmentation de TiO2. L'essai de flexion en trois points a indiqué que le module d'élasticité de la nanofibre PVAc / TiO2 augmentait de manière significative avec l'augmentation de TiO2.

introduction

  Depuis des décennies, les nanofibres de polymères sont connues pour leurs propriétés remarquables telles que leurs très petits diamètres, leur très grande surface spécifique, leurs petits pores et leur grande porosité. En raison de ces excellentes propriétés, le polymèreles nanofibres ont été utilisées dans un large éventail d'applications telles que l'ingénierie tissulaire, les matériaux filtrants, les vêtements de protection et les capteurs (Bhattarai, Yi, Hwang, Tchad et Kim, 2004; Li, Li, Ying et Yang, 2009; Veleirinho & Lopes-da-Silva,2009; Zhao, Gou, Bietto, Ibeh, & Hui, 2009). L'électrofilage a été reconnu comme une technique simple et polyvalente pour préparer des nanofibres à partir d'une variété de matériaux. Cependant, les nanofibres de polymères ne sont pas assez solides pour certainsapplications. Il a été démontré que le polymère / nanofibre inorganique peut être facilement synthétisé en utilisant une combinaison de méthodes d'électrofilage au procédé sol-gel. Depuis l’introduction des nanoparticules inorganiques, les nanofibres polymèresprésentent l'avantage des matériaux inorganiques, tels que la résistance élevée, la stabilité thermique et la stabilité chimique (Chronakis, 2005). Afin d’étudier l’effet des composants inorganiques sur les propriétés mécaniques des nanofibres de polymères, plusieursLes méthodes de test ont été développées par des chercheurs (Agic et Mijovic, 2005; Hasan, Zhou et Jeelani, 2007; Rohatgi et al., 2008). Cependant, la caractérisation mécanique de nanofibres simples en est encore au stade de l'exploration.

  Dans le présent travail, un matériau composite d'acétate de polyvinyle (PVAc) / dioxyde de titane (TiO2) à structure nanofibreuse a été préparé par électrofilage. La structure fibreuse et la distribution en diamètre des nanofibres de PVAc / TiO2 ont été indiquéespar un microscope électronique à balayage (MEB). La morphologie de surface et le module d'élasticité de nanofibres PVAc / TiO2 simples ont été étudiés à l'aide d'un microscope à force atomique (AFM) équipé de picoforce.

  matériaux et méthodes

  Synthèse de nanofibres composites PVAc / TiO2

Une solution de titanate de tétrabutyle (Ti (OC4H9) 4) a été utilisée comme précurseur moléculaire de TiO2. L'éthanol et l'acétone utilisés étaient de nature analytiquequalité. La diéthanolamine de qualité chimiquement pure a été utilisée comme agent inhibant le processus d'hydrolyse du TBT. De la diéthanolamine de 0,5 ml et 0,003 mol de Ti (OC4H9) 4 a été ajoutée à 14,0 ml d'éthanol sous agitation constante (solution A).tandis que 1,0 ml d’eau distillée a été ajouté à un autre14,0 ml d'éthanol (solution B). Ensuite, la solution B a été ajoutée goutte à goutte à la solution A sous agitation vigoureuse pendant 5 h à température ambiante. Après mélange uniforme, le sol de TiO2 a été obtenu. La solution de PVAc avec une concentration de 13% en poids étaitpréparé en dissolvant les particules de PVAc dans de l'acétone. Une quantité contrôlée de sol de TiO2 préparé a été ajoutée à la solution d'acétone PVAc, puis mise à réagir à température ambiante pendant 24 h. Ainsi, trois solutions composites transpa- rentes en PVAc / TiO2des échantillons avec différentes teneurs en sol de TiO2 (0, 0,5 et 1% en poids) ont été obtenus. Dans le procédé d'électrofilage, une solution haute tension (20 kV) était appliquée à la solution contenue dans une seringue via une pince crocodile fixée à la seringue.aiguille. La solution a été administrée à l'extrémité de l'aiguille émoussée via une pompe à micro-perfusion (WZ-50C2, Zhejiang, Chine) pour contrôler le débit de la solution à 0,5 ml / h. Les fibres électrofilées ont été recueillies sur des feuilles d'aluminium et des réseaux. Pourles échantillons ont été étiquetés P / T0,5% pour le PVAc / TiO2 avec 0,5% en poids de TiO2 et P / T1,0% pour le PVAc / TiO2 avec 1,0% en poids de TiO2.

  Caractérisation

  Les structures fibreuses des nanofibres ont été observées à l'aide du MEB (HITACHI S-4800, Japon) après un revêtement d'or. Le diamètre moyen des fibres des nanofibres électrofilées a été mesuré par le logiciel Photoshop CS3. Le balayage AFM étaiteffectué sur un AFM CSPM4000 (Benyuan Co. Ltd., Chine) équipé de pico-force. La fréquence de balayage a été réglée à 1,0 Hz. La morphologie de surface de nanofibres simples a été analysée sur la base des observations AFM.

Test de flexion en trois points

  Le test de flexion à trois points à l'échelle nanométrique a été réalisé en utilisant la pointe en porte-à-faux AFM pour appliquer une charge sur la mi-portée d'une nanofibre à un brin suspendue au-dessus d'une rainure de réseau de petite taille. Une pointe en porte-à-faux avec une constante de ressort de0,35 N / m a été appliqué. En mesurant la faible déviation de la nanofibre et la force appliquée, et en utilisant la théorie de la flexion de faisceau, les propriétés mécaniques d'une seule nanofibre peuvent être obtenues. Les diamètres des spécimens sélectionnés sontapproximativement en multiples de 50 nm pour le contraste. En raison de la distribution aléatoire des diamètres des nanofibres, le module d'élasticité moyen calculé dans un certain diamètre est la valeur moyenne de 10 échantillons à proximité, par ex. l'élastiqueLe module de nanofibre de PVAc à 400 nm est la valeur moyenne des 10 échantillons dans la plage de 400 à 10 nm.

 résultats et discussion

La structure fibreuse et la distribution en diamètre des nanofibres de PVAc / TiO2 ont été étudiées à l'aide d'un SEM et d'un logiciel de cartographie, comme illustré à la figure 1. La figure montre comment les structures fibreuses sont formées et les nanofibres sontrépartis au hasard sur le collecteur. Les images de la figure 1 indiquent également que le diamètre moyen des nanofibres de PVAc / TiO2 électrofilées diminue de manière significative lorsque la quantité de TiO2 augmente, passant de 585 à 287 nm. Il semble quela distribution en diamètre des nanofibres composites des figures 1 (b) (100 à 700 nm) et des figures 1 (c) (100 à 500 nm) devient plus uniforme que celle des nanofibres de PVAc des figures 1 (a) (200 à 1000) nm).

  La figure 2 montre la morphologie de surface de nanofibres de PVAc / TiO2 avec différentes teneurs en TiO2. Les structures en forme de particules entourant la nanofibre sur la figure 2 représentent la morphologie de surface des feuilles d'aluminium. Comme illustré à la figure2, la composition de sol de TiO2 modifie considérablement les caractéristiques de surface

Figure 1. Images SEM et histogrammes de distribution en diamètre de (a) PVAc, (b) P / T0.5% et (c) P / T1.0% de nanofibres.

Figure 2. Morphologie de surface d'une nanofibre unique: (a) PVAc, (b) P / T0.5% et (c) P / T1.0%.

de la nanofibre de PVAc. L'image AFM de la figure 2a montre que la nanofibre de PVAc a une surface relativement lisse et uniforme. La nanofibre composite de la figure 2 (b) révèle une structure de surface de rides inégale. Comme le contenu de TiO2augmentée à 1% en poids, la nanofibre composite (sur la figure 2 (c)) présentait une surface rugueuse avec des structures en forme de particules le long de l'axe de la fibre. Les analyses SEM et AFM permettent de conclure que l’augmentation des teneurs en TiO2 non seulementinfluence la finesse et la distribution des diamètres, mais modifie aussi évidemment la morphologie de surface des nanofibres de PVAc.

  Les propriétés mécaniques des nanofibres de PVAc / TiO2 électrospun ont été mesurées à l'aide d'un AFM basé sur le test de flexion à trois points. Un schéma de la méthode de pliage en trois points est présenté à la figure 3 (a). Dans cette technique, une fibre estsuspendu à travers la fente d'une grille. La pointe de l'AFM heurte la fibre, provoquant la déformation. Le module mesuré de cette manière est une propriété entière d'une fibre entière et peut être obtenu à partir de la courbe force-distance de l'AFM.sonde. La figure 3 (b) présente une courbe force – distance typique par AFM, dans laquelle sont incluses les informations suffisantes sur les forces de surface. La courbe est composée de six étapes: (1) de A à B, le scanner s’étend et la pointe s’approchela surface de l’échantillon, pas d’interaction ni de déviation en porte-à-faux, (2) de B à C, l’extrémité étant abaissée, les fléchissements dus à des attractions à courte et à longue portée, (3) de C à D, comme le la pointe entre en contact avec la surface, une forceagit sur la fibre et le porte-à-faux se plie vers le haut, (4) de D à E, le scanner se retire de l'échantillon, lorsqu'il atteint le point E, la force ascendante égale à l'attraction pointe-échantillon, (5) de E à F, cantilever effectue un rebond soudainà mesure que le scanner se rétracte, et

  (6) de F à A, à une certaine distance, la pointe se détache de l'échantillon et le porte-à-faux revient à son état non dévié. Tous les paramètres suivis sonttesté dans le processus d'extension. Il est possible de calculer le déplacement vertical du piézo AFM, Z – Z0, et la déviation du cantilver, Zc, la déformation verticale de la fibre (Equation (1)) (Tombler et al., 2000).

  Le module d'élasticité des nanofibres a été calculé à partir de la théorie de flexion de faisceau donnée par l'équation (2), où F est la force appliquée, L est la longueur suspendue, I est le deuxième moment d'aire de la poutre (où I = Lim, 2004). . Il peut aussi êtreLa Figure 4 (encadré) montre que les trois types de nanofibres dans la plage de 350 à 500 nm ont été obtenus à partir de points de données. L’image agrandie révèle que le module élastique augmente avec l’augmentation des teneurs en TiO2, ce quiont démontré que, sans tenir compte de la différence de diamètre, l’introduction de TiO2 améliorait la résistance à la flexion des nanofibres de PVAc. Les équations (3) à (5) illustrent le processus de réaction d'hydrolyse du Ti (OC4H9) 4 en trois étapes pour le sol de TiO2.préparation (R est un groupe tert-butoxycarbonyle)

(4)(F = kZc, où k est la constante du ressort en porte-à-faux).

  L'effet des teneurs en TiO2 sur le module d'élasticité des nanofibres PVAc / TiO2 a été calculé et résumé à la figure 4. Comme le montre la figure 4, les modules d'élasticité des PVAc, P / T0.5% et P / T1.0% les nanofibres diminuent à mesure que les diamètresaugmente. Il est suggéré que la diminution du module d'élasticité peut être attribuée au fait que les déformations de cisaillement deviennent un facteur important à des rapports longueur / diamètre (L / D) relativement faibles (Tan & n CH3CH 2CH 2CH 2OH.

(5)Comme le montrent les équations (3) à (5), une grande quantité de -OH est générée dans le processus d'hydrolyse. Lorsque le sol de TiO2 était mélangé à une solution de PVAc, des liaisons secondaires ou des forces d’interaction se formaient entre la molécule de sol de TiO2 (-OH) et PVAc moléculaire (C = O) au cours du processus de formation de réseaux de polymères / inorganiques, ce qui a entraîné le renforcement des nanofibres.

Figure 3. Schéma de la méthode de pliage en trois points (a) et de la méthode force-distance (b).

Figure 4. Effet des teneurs en TiO2 (0% en poids, 0,5% en poids et 1,0% en poids) sur le module d'élasticité (E) de la nanofibre PVAc / TiO2.

Conclusion

  Cette étude a étudié l'effet du composite organique / inorganique sur le module d'élasticité des nanofibres. Les nanofibres de PVAc et de PVAc / TiO2 ont été fabriquées par un procédé sol-gel et un procédé d'électrofilage. Examen SEM révéléque le diamètre moyen des nanofibres diminue avec l’augmentation de TiO2. D'après les images AFM, l'augmentation de TiO2 a entraîné la formation d'une surface rugueuse de nanofibres. Les résultats de l’analyse des propriétés de flexion ont indiqué que leLe module d'élasticité des nanofibres de PVAc et de PVAc / TiO2 diminuait avec l'augmentation des diamètres, car les diamètres plus petits avaient une plus grande étendue de diminution. L’ajout de sol de TiO2 à la matrice de PVAc a considérablement amélioré le module d’élasticité denanofibres.