Control de Morfología Secundaria Superficial de Nanofibras Electrohiladas PVDF vía Elección de Solvente y Humedad Relativa

Resumen

Presentamos un protocolo directo, reproducible para fabricar nanofibras polivinilideno fluoruro (PVDF) con morfologías secundarias adaptadas —macro-porosas, rugosas, acanaladas, internamente porosas— usando sistemas solvente simples o binarios y humedad relativa controlada. Estudios sistemáticos revelan que vapor agua, actuando como no-solvente, es esencial para inducir separación fase cuando humedad relativa está en ventana específica. La tasa evaporación solvente (acetona, DMF, o mezclas) y la inter-difusión agua dictan emergencia poros superficiales, vacíos interiores y características texturales. Medidas adsorción nitrógeno muestran fibras macro-porosas (>300 nm) logran área superficial específica 23,31 ± 4,30 m² g⁻¹ y volumen poro 0,0695 ± 0,007 cm³ g⁻¹, traduciendo capacidades excepcionales absorción aceite 50,58 ± 5,47 g g⁻¹ (aceite silicona), 37,74 ± 4,33 g g⁻¹ (aceite motor) y 23,96 ± 2,68 g g⁻¹ (aceite oliva). Estos hallazgos proveen hoja ruta práctica para ingeniar nanofibras PVDF electrohiladas con arquitecturas superficiales personalizadas para filtración avanzada, sensado y aplicaciones cosecha energía.

Introducción

El electrohilado aprovecha fuerzas electrostáticas para estirar soluciones poliméricas en fibras desde nanómetros a micrómetros diámetro. Ajustando parámetros proceso, se ha realizado rica biblioteca morfologías —perlas, porosas, acanaladas, huecas, núcleo-capa, y más—. Nanofibras electrohiladas destacan en alta área superficial, flexibilidad y diversidad estructural, haciéndolas ideales para cosecha energía, sensores, filtración, dispositivos biomédicos y superficies auto-limpiantes.

Características superficiales secundarias —porosas, rugosas, acanaladas— pueden mejorar dramáticamente rendimiento funcional. Fibras porosas aumentan eficiencia catalítica y filtración; superficies rugosas aumentan salida triboeléctrica; arquitecturas acanaladas favorecen ingeniería tejidos e superhidrofobicidad. Sin embargo, control sistemático estas características, especialmente en PVDF, permanece poco explorado.

Metodología

Materiales

PVDF (Mn = 275 kDa) Sigma-Aldrich; acetona (ACE) y N,N-dimetilformamida (DMF) Shanghai Chemical Reagents Co., Ltd. Todos reactivos usados tal cual.

Configuración Electrohilado

Soluciones 18 % ACE/PVDF, 35 % DMF/PVDF, y 25 % ACE/DMF PVDF (ratio 4:1 a 1:4) preparadas. Aguja 21 G alimentó bomba jeringa (1,5 mL h⁻¹) bajo 18 kV. Fibras colectadas en tambor 40 cm × 20 cm a 2 rpm, 18 cm aguja. Experimentos conducidos 20 °C con humedad relativa 5 %, 25 %, 45 %, o 65 % usando humidificador/deshumidificador.

Diagrama Fase Ternario

Puntos nube obtenidos titular soluciones PVDF con agua desionizada 65 % HR. Curva binodal graficada identificar coexistencia solvente-agua-polímero.

Caracterización

Morfología fibras y secciones transversales examinadas por FE-SEM (Hitachi S-4800) tras recubrimiento oro. Diámetros medidos via análisis imagen. Isotermas adsorción-desorción nitrógeno (JW-BK132F) proveyeron datos área superficial, tamaño poro, volumen. Absorción aceite evaluada inmersión 0,3 g fibra seca en mezcla 1:1 agua-aceite 1 h, drenado 40 min, calculando capacidad Q = (m₀ – m₁)/m₁.

Resultados y Discusión

Fibras Base ACE

5 % HR produjo fibras lisas, interior sólido —sin separación fase. Aumentar HR 25-65 % indujo macro-porosidad superficie. Secciones transversales revelaron interiores sólidos 25 % HR (TIPS) y poros interiores 45-65 % HR (co-ocurrencia TIPS y VIPS). Tamaño macro-poro creció ~50 nm (25 % HR) a ~400 nm (65 % HR). Diámetro fibra aumentó 0,77 µm a 1,81 µm con HR creciente.

Fibras Base DMF

5 % HR produjo fibras lisas; 25-65 % HR rindió superficies rugosas y poros interiores vía VIPS. La mayor presión vapor agua relativa DMF promueve separación fase inducida agua, formando vaina PVDF que atrapa DMF y genera poros. Diámetro aumentó 0,8 µm a 1,79 µm rango HR.

Fibras Mezcla ACE/DMF

Usando 25 % PVDF con ratios variables ACE/DMF, surgió espectro morfologías: lisas (5 % HR), pilar-acanalado superficial (25 % HR), pilar-acanalado longitudinal (45-65 % HR). 25-65 % HR, todas fibras mostraron poros interiores; texturas acanaladas resultaron elongación basada arrugas tras formación temprana piel vítrea. Aumentar HR ensanchó ancho y profundidad acanalado. Diámetros fibra variaron con ratio solvente: ratio 1:1 rindió fibras más finas (~0,6 µm) 5 % HR, expandiendo ~2 µm 65 % HR.

Comportamiento Fase

Diagrama fase ternario 65 % HR muestra dos zonas separadas curva binodal. Chorro inicia zona homogénea (I); al evaporar ACE rápidamente, composición desplaza zona II donde ocurre separación multifase (TIPS y VIPS). Trayectoria depende volatilidad solvente.

Área Superficial, Porosidad y Absorción Aceite

Fibras macro-porosas lograron mayor área superficial específica (23,31 ± 4,30 m² g⁻¹) y volumen poro (0,0695 ± 0,007 cm³ g⁻¹). Fibras acanaladas y rugosas mostraron valores menores (10,26 ± 2,19 m² g⁻¹, 4,81 ± 0,58 m² g⁻¹). Mesoporos (2-50 nm) comunes; macro-poros (>100 nm) exclusivos fibras macro-porosas, explicando su superior captación aceite. Pruebas absorción aceite confirmaron fibras macro-porosas absorbieron 50,58 ± 5,47 g g⁻¹ aceite silicona, 37,74 ± 4,33 g g⁻¹ aceite motor, 23,96 ± 2,68 g g⁻¹ aceite oliva —más del doble capacidad fibras acanaladas o rugosas.

Conclusiones

Establecimos estrategia confiable, ajustable para generar nanofibras PVDF macro-porosas, rugosas, acanaladas con porosidad interna ajustando composición solvente y humedad ambiental. Claves: sin separación fase 5 % HR rinde fibras lisas; TIPS domina 25 % HR (ACE); VIPS gobierna fibras rugosas (DMF) y texturas acanaladas (ACE/DMF). Estos controles estructurales traducen directamente en área superficial mejorada y rendimiento absorción aceite, ofreciendo guía práctica diseñar materiales electrohilados alta funcionalidad.