Producción de alto rendimiento de nanofibras de alta calidad mediante electrohilado de superficie libre modificado

Resumen

Basándonos en el electrohilado por burbujas (BE), desarrollamos un sistema modificado de electrohilado de superficie libre (MFSE) que integra una boquilla de aire cónica con un depósito de tubo de cobre, aumentando significativamente el rendimiento de nanofibras de alta calidad. El proceso MFSE incorpora dodecilbencenosulfonato de sodio (SDBS) para generar burbujas en la superficie. Examinamos cómo el voltaje aplicado y la formación de burbujas influyen en la morfología y el rendimiento de las fibras mediante mediciones experimentales y modelado teórico. Las distribuciones de campo eléctrico calculadas coincidieron estrechamente con las observaciones experimentales, confirmando que voltajes más altos mejoran la calidad y la producción de fibras, mientras que la presencia de burbujas tiende a reducir ambas.

Introducción

El electrohilado es ampliamente considerado una técnica sencilla y potente para producir nanofibras de polímero. Debido a su alta área superficial, energía superficial y actividad superficial, las nanofibras electrohiladas han encontrado aplicaciones en diversos campos —incluyendo tejidos no tejidos, fibras reforzadas, sistemas de liberación de fármacos, ingeniería de tejidos, pilas de combustible, compuestos, filtración, fotónica, sensores, supercondensadores, apósitos para heridas y más.

Sin embargo, el electrohilado tradicional de aguja única sufre de bajo rendimiento, entregando típicamente solo 0,01–0,1 g h⁻¹. En consecuencia, ha habido un impulso concertado para aumentar las tasas de producción. Avances notables incluyen sistemas de multi-aguja, diseños de tubo poroso, electrohilado de superficie libre (FSE) impulsado por campos magnéticos y eléctricos, generadores de rodillo rotatorio, boquillas cónicas de alambre metálico sin aguja, conos giratorios grandes, boquillas de cobre con forma de pirámide, generadores de burbujas inducidos por bomba de gas y boquillas de aguja-disco. Simulaciones numéricas de chorros cargados y estudios de efectos de campos eléctrico y magnético han elucidado aún más la dinámica de los chorros.

En este trabajo, presentamos una plataforma de electrohilado de superficie libre modificado (MFSE) que acopla una boquilla de aire cónica con un depósito de tubo de cobre para lograr la fabricación de alto rendimiento de nanofibras de calidad, basándonos en el electrohilado por burbujas (BE). El depósito de cobre y la boquilla generan múltiples chorros, iniciando el proceso de electrohilado. Cuantificamos experimentalmente la distribución de diámetros y el rendimiento, mostrando que el aumento del voltaje aplicado mejora tanto la calidad como el rendimiento. Comparado con BE, MFSE tolera voltajes más altos, produciendo fibras más finas con una distribución de diámetro más estrecha y un rendimiento sustancialmente mayor.

Los agentes surfactantes se usan rutinariamente para reducir la tensión superficial de las soluciones de polímero, facilitando así la formación y estabilización de burbujas. Nuestro trabajo previo demostró que incluso una modesta adición de dodecilbencenosulfonato de sodio (SDBS) reduce marcadamente la tensión superficial, promueve la generación de burbujas y mejora el rendimiento mecánico de nanofibras de alcohol polivinílico (PVA) electrohiladas. Por ello, incorporamos SDBS en la solución de electrohilado para generar burbujas en la superficie libre. Investigamos el impacto de las burbujas en la morfología y la producción de fibras tanto experimental como teóricamente, confirmando que la presencia de burbujas tiende a disminuir la calidad y el rendimiento.

Métodos

Materiales

PVA (M_w ≈ 1750 ± 50 g mol⁻¹) y SDBS se adquirieron de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Se preparó una solución acuosa de PVA al 7 % en peso disolviendo polvo de PVA en agua desionizada, seguida de la adición de 0,3 % en peso de SDBS. La mezcla se agitó a 90 °C durante 2 h hasta homogeneidad. Todos los reactivos fueron de grado analítico y se usaron sin purificación adicional.

Aparato MFSE

La configuración MFSE se ilustra en la Fig. 1. Comprende un generador de alto voltaje variable (0–150 kV, TRC2020, Dalian Teslaman Technology Co., LTD), una bomba de gas (TEION4500co, Eiko, Japón), una boquilla de aire cónica circular derecha con tubo de gas, un depósito vertical de tubo de cobre (diámetro interno = 40 mm, altura = 30 mm) y un colector conectado a tierra posicionado sobre el depósito. La boquilla tiene 20 mm de altura, 40 mm de diámetro base y 1,5 mm de diámetro superior, fabricada de polietileno (PE). Su punta se alinea a ras con la parte superior del depósito. El terminal positivo del generador se conecta directamente al depósito, definiendo el voltaje de hilado.

En contraste, el aparato BE emplea un depósito de tubo de polímero con una boquilla delgada de polímero y una aguja metálica delgada que sirve como electrodo positivo. Esta configuración limita el voltaje aplicable. Consecuentemente, BE típicamente produce nanofibras a solo ~3 g h⁻¹.

Proceso MFSE

Siguiendo protocolos establecidos y nuestro trabajo previo, operamos el sistema MFSE con los siguientes parámetros: PVA 7 % en peso, SDBS 0,3 % en peso, voltaje aplicado de 30 a 70 kV, y distancia de trabajo de 13 cm entre boquilla y colector. Los experimentos se realizaron a 20 °C y 60 % de humedad relativa.

La solución de PVA se vertió en el depósito, elevando la superficie líquida por encima de la boquilla. Al abrir gradualmente la válvula de gas, se forma un arco alrededor de la boquilla debido a la tensión superficial. Cuando el voltaje aplicado supera el umbral, múltiples chorros inician desde la superficie líquida convexa, como se muestra en la Fig. 2.

La adición de SDBS genera burbujas (10–30 mm de diámetro) en la superficie libre. Estas burbujas se rompen en otras más pequeñas, y cuando la tensión superficial reducida alcanza un valor crítico, múltiples chorros son eyectados desde las superficies de las burbujas, como se muestra en la Fig. 3.

Mediciones y caracterizaciones

La dinámica de chorros se registró con una cámara de alta definición (25 000 fps, KEYENCE VW-9000, Japón). El diámetro y la morfología de las fibras se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM; Hitachi S-4800, Japón). Las muestras se secaron a temperatura ambiente y se recubrieron con oro por pulverización catódica (10 min, IB-3, Eiko, Japón). Las distribuciones de diámetro se cuantificaron usando ImageJ (National Institute of Mental Health, USA). Las simulaciones de campo eléctrico emplearon Maxwell 2D (ANSOFT Corporation, USA).

Resultados y discusión

Efecto del voltaje aplicado en las nanofibras de PVA

Las imágenes SEM y distribuciones de diámetro para fibras MFSE y BE a distintos voltajes se muestran en la Fig. 4. A 30 kV, las fibras MFSE exhiben un diámetro promedio de 148 ± 8,53 nm, mientras que las fibras BE promedian 190 ± 8,26 nm —demostrando una salida MFSE más fina y homogénea. La distribución de diámetro se estrecha con el aumento del voltaje en el proceso MFSE.

Las Figuras 5 y 6 ilustran cómo el voltaje aplicado afecta el diámetro promedio y la producción en MFSE. Por debajo de 30 kV, los chorros son escasos debido a la fuerza eléctrica insuficiente. A 70 kV, la fuerza eléctrica acelera el ascenso del chorro, sin embargo, el ascenso rápido reduce el estiramiento adicional, resultando en una tendencia no monótona del diámetro: disminución inicial seguida de un ligero aumento. La producción, en cambio, aumenta de forma constante con el voltaje. Estos hallazgos confirman el papel crucial del voltaje en el rendimiento MFSE.

Dado que el electrodo positivo del sistema BE es una aguja de polímero, opera a un voltaje menor, limitando la producción a ~3 g h⁻¹.

Efecto del SDBS en las nanofibras de PVA

La Tabla 1 reporta la conductividad eléctrica mejorada y la tensión superficial reducida de las soluciones de PVA con 0,3 % en peso de SDBS. Las Figuras 7 y 8 presentan imágenes SEM y distribuciones de diámetro para fibras hiladas de solución con SDBS a 60 kV en distintos tiempos de hilado. Aunque el diámetro promedio es mayor que el de PVA puro, la distribución de diámetro permanece estable a lo largo del tiempo, y el rendimiento alcanza 12,5 g h⁻¹. Estos resultados indican que la generación de burbujas, aunque aumenta el diámetro, reduce ligeramente la producción —probablemente debido a la energía perdida en la deformación y ruptura de burbujas, lo que reduce la aceleración del chorro y, por tanto, el rendimiento.

Los ensayos mecánicos de membranas fabricadas a partir de PVA con y sin SDBS se resumen en la Tabla 2. Tanto la resistencia a la tracción como la elongación a la rotura mejoran con la adición de SDBS, subrayando el papel del surfactante en la mejora del rendimiento mecánico.

Análisis teórico

Dado que el campo eléctrico es el principal impulsor de la formación de chorros, modelamos la distribución del campo alrededor de la superficie libre y las burbujas usando Maxwell 2D. La Figura 9 muestra los campos simulados para una distancia de trabajo de 13 cm y 60 kV de voltaje aplicado, considerando un depósito de cobre (40 mm × 30 mm), diámetros de burbuja de 20 mm y 25 mm, y propiedades de la solución (tensión superficial 45 mN m⁻¹ para PVA puro, 33 mN m⁻¹ con SDBS; conductividad 8,8 µS cm⁻¹ y 43 µS cm⁻¹, respectivamente).

La Fig. 9a revela un campo altamente heterogéneo e intenso en la superficie libre curva, particularmente cerca del borde del depósito —una región donde emergen primero los chorros. En contraste, las burbujas exhiben menor intensidad de campo, explicando por qué los chorros inducidos por burbujas se estiran menos y contribuyen a diámetros de fibra mayores y menor rendimiento. Las predicciones teóricas se alinean bien con las observaciones experimentales.

Conclusiones

Presentamos un sistema modificado de electrohilado de superficie libre que acopla una boquilla de aire cónica con un depósito de tubo de cobre, permitiendo la fabricación de alto rendimiento de nanofibras de alta calidad durante períodos prolongados de hilado. Estudios sistemáticos confirman que el aumento del voltaje aplicado mejora tanto la calidad de la fibra como la producción. Comparado con el electrohilado por burbujas, MFSE tolera voltajes más altos, produciendo fibras más finas, distribuciones de diámetro más estrechas y un rendimiento marcadamente superior.

La incorporación de SDBS en la solución de PVA genera burbujas en la superficie, que, aunque aumentan ligeramente el diámetro de la fibra, reducen modestamente la producción —probablemente debido a la pérdida de energía durante la formación y ruptura de burbujas. Los ensayos mecánicos muestran que el SDBS mejora la resistencia a la tracción y la elongación a la rotura de las membranas resultantes.

Las simulaciones de campo eléctrico usando Maxwell 2D corroboran los hallazgos experimentales, demostrando que la mayor intensidad de campo en la superficie libre impulsa la formación de chorros de manera más efectiva que en los sitios de burbujas.

Abreviaturas

BE

Electrohilado por burbujas

Co., Ltd.

Compañía de responsabilidad limitada

FSE

Electrohilado de superficie libre

MFSE

Electrohilado de superficie libre modificado

PE

Polietileno

PVA

Alcohol polivinílico

SDBS

Dodecilbencenosulfonato de sodio

SEM

Microscopía electrónica de barrido

% en peso

Fracción de peso