Cómo la temperatura influye en el módulo de Young de nanofibras de poliuretano electrohiladas

Resumen

Se fabricaron nanofibras de poliuretano (PU) electrohiladas y examinaron mediante microscopía de fuerza atómica (AFM) para cuantificar su comportamiento mecánico. Un ensayo de flexión de tres puntos, realizado en fibras individuales, reveló un módulo de Young de aproximadamente 25 GPa para fibras de ~150 nm de diámetro a temperatura ambiente. A medida que el diámetro disminuía, el módulo aumentaba, atribuido a efectos de tensión superficial. El aumento de temperatura produjo un descenso lineal del módulo mientras la morfología fibrosa permanecía intacta.

Antecedentes

Los nanomateriales unidimensionales (1D) atraen atención por sus propiedades distintivas y diversas aplicaciones. Aunque existen varias rutas de fabricación, la electrohilatura destaca por su bajo coste, escalabilidad y capacidad para producir fibras sub-micrónicas mediante adelgazamiento de chorro electrostático.

El poliuretano combina segmentos blandos y duros unidos por enlaces uretano; las cadenas blandas proporcionan flexibilidad y las duras confieren resistencia. Su dureza ajustable hace del PU una opción popular en diversas industrias. Las fibras de PU electrohiladas muestran promesa en filtros de aire de alto rendimiento, textiles protectores, apósitos para heridas y sensores. Sin embargo, sus propiedades mecánicas son poco conocidas, largely porque las pruebas a nanoescala son desafiantes. El AFM ha surgido como herramienta práctica para sondear la elasticidad de nanoestructuras 1D individuales, y se ha desarrollado un método sencillo de flexión de tres puntos basado en AFM para medir el módulo de Young con alta precisión.

En este estudio, preparamos nanofibras de PU electrohiladas y usamos flexión de tres puntos con AFM para investigar cómo la temperatura influye en su módulo de Young.

Métodos

Preparación de Materiales

Elastómero de poliuretano (Elastollan® 1180A10, BASF) se disolvió en mezcla 1:1 de N,N-dimetilformamida (DMF) y tetrahidrofurano (THF; Tianjin Hengxing Chemical Reagent Co., Ltd.). La solución se agitó vigorosamente a temperatura ambiente durante 12 h para asegurar disolución completa. La electrohilatura se realizó con sistema comercial (Beijing Ucalery Technology Development Co., Ltd.). Se aplicó alto voltaje de 9–10 kV a lo largo de 13 cm entre el inyector y un mandril rotatorio conectado a tierra. Las fibras se recogieron, secaron bajo vacío durante la noche para eliminar disolventes residuales y almacenaron en desecador antes de ensayar.

Caracterización Física y Ensayos

Microscopía electrónica de barrido (SEM, JSM-6610LV) evaluó morfología de fibras. Termogravimetría y calorimetría diferencial de barrido (TG/DSC) se realizaron en TA Instruments SDT Q600 bajo argón. El módulo macroscópico de la membrana electrohilada se midió con máquina de ensayo universal Instron 5943. Para ensayos nanomecánicos, las fibras se depositaron sobre plantilla de silicio con zanjas de 2 µm ancho, 3 µm profundidad; una sonda esférica AFM de 50 nm (Bruker Nano) aplicó fuerza en el centro de la zanja. Constantes de resorte del cantilever se calibraron por sintonía térmica, y sensibilidad de deflexión se estableció en referencia de zafiro. Se promediaron cinco mediciones independientes por fibra. Análisis de elementos finitos (ANSYS 15.0) evaluó penetración de la punta, confirmando que la deformación de la superficie de la fibra es despreciable.

Resultados y Discusión

Imágenes SEM muestran red aleatoria de fibras desde cientos de nanómetros a varios micrómetros. Secciones transversales AFM confirman perfiles laterales uniformes, con diámetro promedio ~300 nm. Curvas TG/DSC muestran dos etapas de degradación: pérdida menor de peso entre 100–200 °C (agua y volátiles) y pérdida pronunciada a ~300 °C (descomposición polimérica). Espectros FTIR muestran picos característicos PU a 3320, 2960, 1710, 1530, 1220, 1110 y 777 cm⁻¹, confirmando integridad química de las fibras.

En el ensayo de flexión de tres puntos (Fig. 3), el módulo de Young (E) se calcula usando:

E = FL³ / (192 dI), con F la fuerza en punto medio, L la longitud suspendida, d la deflexión, e I = πr⁴/4. El ensayo satisface todos los supuestos (extremos fijos, L≫r, d pequeño). Resultados FEM indican penetración de punta <10 % de la deformación, validando el modelo elástico lineal.

El gráfico módulo vs diámetro (Fig. 4a) revela clara dependencia del tamaño: 25 GPa a 150 nm, descendiendo a ~5 GPa para fibras >300 nm. Esta tendencia coincide con reportes para otras nanofibras poliméricas y se atribuye a tensión superficial. Usando el modelo de tensión superficial, el módulo intrínseco de la nanofibra PU es ≈5,0 GPa, superior al PU masivo debido a orientación de cadenas durante electrohilatura. La membrana electrohilada exhibe módulo bajo (~0,9 MPa) por su alta porosidad.

Mediciones dependientes de temperatura (Fig. 5a) muestran descenso lineal del módulo de 25 °C a 60 °C para fibra de 155 nm. Imágenes AFM a 60 °C confirman que la fibra permanece intacta, con solo ligero aumento de diámetro (200→214 nm). Estos hallazgos sugieren que las nanofibras PU mantienen estabilidad dimensional a temperaturas moderadas y podrían ser útiles en nanosensores y dispositivos termo-responsivos.

Pruebas de durabilidad (Fig. 6) involucraron 50 ciclos de flexión en fibra de 215 nm. El módulo permaneció esencialmente inalterado, indicando robusta resiliencia mecánica.

Conclusiones

Medimos el módulo de Young de nanofibras de PU electrohiladas usando flexión de tres puntos basada en AFM. El módulo aumenta drásticamente al disminuir el diámetro, comportamiento gobernado por tensión superficial. La temperatura induce descenso lineal del módulo entre 25 °C y 60 °C, pero las fibras preservan su morfología y resisten flexión repetida sin pérdida significativa de rigidez.