Electrohilado sobre sustratos aislantes mediante control de mojabilidad superficial y humedad local

Resumen

Presentamos una técnica sencilla que permite el electrohilado de polímeros sobre sustratos flexibles no conductivos aprovechando la mojabilidad superficial y la humedad controlada. Al elevar la humedad relativa local alrededor de una superficie polimérica hidrofílica tratada con plasma, monocapas de agua se adsorben y sirven como electrodo de tierra transitorio. Las nanofibras electrohiladas se depositan selectivamente en regiones hidrofílicas, permitiendo patronado preciso sin fabricación compleja de electrodos. El electrohilado de campo cercano demuestra además la escritura directa de nanofibras poliméricas en superficies hidrofílicas, abriendo vías para dispositivos electrónicos vestibles y flexibles.

Introducción

El electrohilado —un método económico para producir nanofibras continuas en rango sub-micrométrico— se basa en un campo eléctrico generado entre una fuente de alto voltaje, una boquilla y un colector. Tradicionalmente, el colector es un sustrato conductor (ej., metal) que sirve como electrodo de tierra, asegurando un campo eléctrico estable. Cuando se requiere un sustrato no conductor, se deben añadir capas conductoras externas para proporcionar tierra [4].

Muchas aplicaciones industriales demandan deposición sobre polímeros flexibles aislantes [6]. Trabajos previos solo lo lograron para capas aislantes muy delgadas (≤100 µm) o empleando técnicas electrohidrodinámicas complejas moduladas por pulsos AC que requieren equipo especializado [7]. Aunque el electrohilado sobre electrolitos líquidos se ha explorado [9-12], un enfoque simple y escalable para sustratos aislantes arbitrarios sigue siendo elusivo.

Introducimos un método que explota la conductividad de capas de agua adsorbidas en superficies hidrofílicas en ambiente de alta humedad. Una monocapa delgada de agua puede conducir electricidad a humedad relativa (HR) superior al 50% [13]. Al controlar la humedad local alrededor de un polímero tratado con plasma, el agua adsorbida actúa como electrodo de tierra, permitiendo electrohilado independiente del espesor del sustrato y compatible con configuraciones convencionales.

Métodos

Preparación de sustrato polimérico hidrofílico

Una lámina acrílica de 500 µm con superficie naturalmente hidrofóbica fue sometida a 30 s de plasma de oxígeno (CUTE, Femto Science, Corea). Este tratamiento introdujo grupos silanol (SiOH) y redujo el ángulo de contacto de agua de 81,3° a 36,7°, confirmando hidrofiliación exitosa [14]. La hidrofiliación selectiva se logró enmascarando regiones antes de la exposición al plasma.

Configuración de electrohilado

El electrohilado se realizó a temperatura ambiente (≈22 °C) y HR moderada (40-50%). Una solución 10% en peso de poliuretano (PU) (Pellethane 2363-80AE; Lubrizol, USA) disuelta en mezcla THF/DMF 80/20 (v/v) sirvió como fluido de hilado. Para estudios comparativos, fibras PU se depositaron sobre un colector acrílico que combinaba regiones hidrofílicas e hidrofóbicas (Fig. 1a).

Esquema del proceso de electrohilado en sustrato polimérico con control de humedad local (a) y detalle de la región de frontera (b).

Control de humedad local

Para elevar la humedad adyacente al colector, se colocó papel húmedo entre el sustrato acrílico y el electrodo de tierra (Fig. 1b). Debido a que el vapor de agua difunde lentamente, la HR cerca del sustrato alcanzó ~70% mientras el ambiente de la punta de jeringa permaneció ~50% (Archivo adicional 1: Figura S2). Este aumento localizado asegura adsorción rápida de agua en superficies hidrofílicas, facilitando el acoplamiento electrostático [15].

Resultados y Discusión

Modos de electrohilado

Examinamos dos configuraciones: (1) electrohilado de campo lejano (distancia punta-colector = 8 cm, 13 kV CC) y (2) electrohilado de campo cercano (distancia = 1 cm, 2 kV CC, punta móvil a 100 mm s⁻¹). En modo campo lejano, las fibras se formaron solo en áreas hidrofílicas; las secciones hidrofóbicas permanecieron libres de deposición (Fig. 2). La capa de agua adsorbida en la superficie hidrofílica proporcionó la tierra necesaria, mientras que la superficie hidrofóbica inhibió la formación del campo eléctrico. Experimentos de campo cercano demostraron que las fibras podían escribirse directamente junto a la trayectoria de la punta en regiones hidrofílicas, produciendo líneas continuas; las fibras en regiones hidrofóbicas aparecieron inestables y retorcidas.

Películas electrohiladas de campo lejano en superficies con distinta mojabilidad. a y c muestran imágenes macroscópicas; b y d muestran micrografías de regiones de frontera.

Cuatro polímeros —PCL, PS, CA y PVDF— se probaron para confirmar versatilidad. En cada caso, las fibras se depositaron exclusivamente en regiones hidrofílicas (Fig. 3). Análisis SEM (Fig. 4) reveló que la morfología de fibra en el colector polimérico igualó a la producida en electrodos metálicos convencionales, indicando que el control de humedad local no compromete la calidad de fibra.

Fibras electrohiladas de (a) PCL, (b) PS, (c) CA y (d) PVDF en superficies hidrofílicas versus hidrofóbicas (barra escala: 10 mm).

Imágenes SEM comparando fibras PU en electrodo metálico (a, d) sin control humedad, electrodo metálico con control humedad (b, e), y sustrato polimérico hidrofílico con control humedad (c, f) bajo 12 kV CC.

La intensidad del campo eléctrico también influye en patrones de deposición. A medida que el voltaje aplicado aumentó de 6 kV a 16 kV (distancia punta-colector = 8 cm), la inestabilidad de flexión del chorro se intensificó, llevando a bucles mayores que depositaron fibras en regiones hidrofóbicas (Fig. 5). A voltajes más bajos, las fibras se colectaron predominantemente en la superficie hidrofílica.

Deposición de fibras PU en superficies hidrofílicas (derecha) e hidrofóbicas (izquierda) a voltajes aplicados de 6, 8, 10, 12, 14 y 16 kV (barra escala: 10 mm).

Experimentos de campo cercano validaronさらに el método. Cuando el colector fue un polímero hidrofílico, la punta produjo líneas rectas y continuas, mientras que en colector hidrofóbico las fibras fueron inestables y curvas (Fig. 6). Esto demuestra que el patronado directo en sustratos aislantes es alcanzable sin electrodos externos.

Películas electrohiladas de campo cercano en (a) hidrofóbica y (b) hidrofílica; (c) foto digital de fibras escritas en sustrato hidrofílico; (d) micrografía de la misma. La línea vertical marca la frontera entre regiones hidrofílicas (izquierda) e hidrofóbicas (derecha).

Conclusiones

Hemos establecido un enfoque simple y escalable para electrohilar sobre sustratos aislantes de cualquier espesor aprovechando la mojabilidad superficial y la humedad local controlada. El plasma de oxígeno vuelve la superficie polimérica hidrofílica, permitiendo que el agua adsorbida a ~70% HR actúe como electrodo de tierra. Las nanofibras electrohiladas depositadas en el colector hidrofílico igualan la morfología lograda en electrodos metálicos convencionales, y la escritura de campo cercano produce patrones precisos de fibras en regiones hidrofílicas de superficies aislantes. Esta estrategia elimina la necesidad de fabricación compleja de MEMS o electrodos, permitiendo la integración de nanofibras electrohiladas en electrónica flexible, vestible y otras aplicaciones emergentes.