Ứng dụng của phương pháp bề mặt phản hồi trong việc đánh giá ảnh hưởng của các tham số điện sợi tới hình thái của các sợi nan chứa graphene oxide trong hỗn hợp polyethylene oxide/polyacrylonitrile

Polymer Bulletin - Tập 76 - Trang 1755-1773 - 2018
Serveh Abdollahi1,2, Morteza Ehsani2, Jalil Morshedian2, Hossein Ali Khonakdar2,3, Elham Aram2
1Department of Chemical Engineering, Rasht Branch of Islamic Azad University, Rasht, Iran
2Department of Polymer Engineering, Iran Polymer and Petrochemical Institute (IPPI), Tehran, Iran
3Leibniz Institute of Polymer Research, Dresden, Germany

Tóm tắt

Các màng điện sợi polyethylene oxide/polyacrylonitrile/graphene oxide (PEO/PAN/GO) đã được sản xuất để sử dụng làm chất điện phân polymer trong pin mặt trời nhạy sáng với màu. Các ảnh hưởng của các tham số vật liệu và quy trình lên đường kính của các sợi đã được đánh giá bằng cách sử dụng thiết kế thí nghiệm Box–Behnken để thu được mối quan hệ định lượng giữa các tham số được chọn (bao gồm hàm lượng GO, nồng độ dung dịch, tốc độ cấp liệu) và các phản hồi (đường kính sợi nan và độ lệch chuẩn của chúng). Tầm quan trọng của các tham số và sự tương tác của chúng đã được điều tra thông qua phân tích phương sai. Mô hình do đó được sử dụng để tìm ra các điều kiện tối ưu cho việc tạo ra đường kính sợi nan tối thiểu. Hình thái và đường kính sợi nan được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử quét. Các sợi có đường kính dao động từ 103 đến 340 nm đã được thu nhận. Đã quan sát thấy rằng đường kính sợi nan tăng cùng với nồng độ dung dịch và tốc độ cấp liệu. Việc bổ sung GO đã dẫn đến việc giảm đường kính các sợi nan. Các sợi nan có đường kính nhỏ hơn và độ lệch chuẩn thấp hơn có thể được thu nhận ở nồng độ dung dịch và tốc độ cấp liệu thấp hơn. Dựa trên hàm mong muốn, các yếu tố tối ưu cho đường kính sợi nan tối thiểu được tìm thấy là 1 wt% GO, nồng độ dung dịch 17 w/v% và tốc độ cấp liệu 1 ml/h. Cuối cùng, các tính chất nhiệt và điện hóa của mẫu tối ưu đã được so sánh với chất điện phân màng PEO/PAN nguyên chất. Sự tiếp nhận điện phân và độ dẫn ion của các màng đã đo cho thấy sự cải thiện đáng kể trong sự hiện diện của các phim GO nanosheets.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Hou H, Gc JJ, Zeng J, Li Q, Reneker DH, Greiner A, Cheng SZD (2005) Electrospun polyacrylonitrile nanofibers containing a high concentration of well-aligned multiwall carbon nanotubes. Chem Mater 25:967–973 Dror Y, Salalha W, Khalfin RL, Cohen Y, Yarin AL, Zussman E (2003) Carbon nanotubes embedded in oriented polymer nanofibers by electrospinning. Langmuir 19:7012–7020 Ramalingam KJ, Dhineshbabu NR, Srither SR, Saravanakumar B, Yuvakkumar R, Rajendran V (2014) Electrical measurement of PVA/graphene nanofibers for transparent electrode applications. Synth Met 191:113–119 Zhao X, Zhang Q, Chen D, Lu P (2010) Enhanced mechanical properties of graphene-based poly (vinyl alcohol) Composites. Macromolecules 43:2357–2363 Mccullen SD, Stevens DR, Roberts WA, Ojha SS, Clarke LI, Gorga RE (2007) Morphological, electrical, and mechanical characterization of electrospun nanofiber mats containing multiwalled carbon nanotubes. Macromolecules 40:997–1003 Kedem S, Schmidt J, Paz Y, Cohen Y (2005) Composite polymer nanofibers with carbon nanotubes and titanium dioxide particles. Langmuir 21:5600–5604 Nasajpour A, Mandla S, Shree S et al (2017) Nanostructured fibrous membranes with rose spike-like architecture. Nano Lett 17:6235–6240 Liu H, Kameoka J, Czaplewski DA, Craighead HG (2004) Polymeric nanowire chemical sensor. Nano Lett 4:671–675 Aussawasathien D, Dong JH, Dai L (2005) Electrospun polymer nanofiber sensors. Synth Met 154:37–40 Barhate RS, Ramakrishna S (2007) Nanofibrous filtering media: filtration problems and solutions from tiny materials. J Membr Sci 296:1–8 Li WJ, Cooper JA, Mauck RL, Tuan RS (2006) Fabrication and characterization of six electrospun poly(hydroxy ester)-based fibrous scaffolds for tissue engineering applications. Acta Biomater 2:377–385 Pezeshki-modaress M, Rajabi-zeleti S, Zandi M et al (2013) Cell-loaded gelatin/chitosan scaffolds fabricated by salt-leaching/lyophilization for skin tissue engineering: in vitro and in vivo study. J Biomed Mater Res A 102:3908–3917 Pham QP, Sharma U, Mikos AG (2006) Electrospinning of polymeric nanofibers for tissue engineering applications: a review. Tissue Eng 12:1197–1211 Nasajpour A, Ansari S, Rinoldi C et al (2018) A multifunctional polymeric periodontal membrane with osteogenic and antibacterial characteristics. Adv Funct Mater 28:1–8 Priya ARS, Subramania A, Jung YS, Kim KJ (2008) High-performance quasi-solid-state dye-sensitized solar cell based on an electrospun PVdF-HFP membrane electrolyte. Langmuir 24:9816–9819 Kim JU, Park SH, Choi HJ, Choi HJ, Lee WK, Lee JK, Kim MR (2009) Effect of electrolyte in electrospun poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) nanofibers on dye-sensitized solar cells. Sol Energy Mater Sol Cells 93:803–807 Seo SJ, Yun SH, Woo JJ, Park DW, Kang MS, Hinsch A, Moon SH (2011) Preparation and characterization of quasi-solid-state electrolytes using a brominated poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) electrospun nanofiber mat for dye-sensitized solar cells. Electrochem Commun 13:1391–1394 Ding Y, Zhang P, Long Z, Jiang Y, Xu F, Di W (2009) The ionic conductivity and mechanical property of electrospun P(VdF-HFP)/PMMA membranes for lithium ion batteries. J Membr Sci 329:56–59 Gopalan AI, Santhosh P, Manesh KM, Nho JH, Kim SH, Hwang CG, Lee KP (2008) Development of electrospun PVdF-PAN membrane-based polymer electrolytes for lithium batteries. J Membr Sci 325:683–690 Prasanth R, Aravindan V, Srinivasan M (2012) Novel polymer electrolyte based on cob-web electrospun multi component polymer blend of polyacrylonitrile/poly(methyl methacrylate)/polystyrene for lithium ion batteries - Preparation and electrochemical characterization. J Power Sources 202:299–307 Hakkak F, Rafizadeh M, Sarabi AA, Yousefi M (2015) Optimization of ionic conductivity of electrospun polyacrylonitrile/poly (vinylidene fluoride) (PAN/PVdF) electrolyte using the response surface method (RSM). Ionics (Kiel) 21:1945–1957 Huang ZM, Zhang YZ, Kotaki M, Ramakrishna S (2003) A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Compos Sci Technol 63:2223–2253 Kim CS, Oh SM (2000) Importance of donor number in determining solvating ability of polymers and transport properties in gel-type polymer electrolytes. Electrochim Acta 45:2101–2109 Nogueira AF, Longo C, De Paoli MA (2004) Polymers in dye sensitized solar cells: overview and perspectives. Coord Chem Rev 248:1455–1468 Wieczorek W, Florjanczyk Z, Stevens JR (1995) Composite polyether based solid electrolytes. Electrochim Acta 40:2251–2258 Zhang L, Hsieh Y-L (2006) Nanoporous ultrahigh specific surface polyacrylonitrile fibres. Nanotechnology 17:4416–4423 Wieczorek W (1996) Composite polyether based solid electrolytes. The Lewis acid-base approach. Solid State Ion 85:67–72 Chun-guey W, Chiung-hui W, Ming-i L, Huey-jan C (2006) New solid polymer electrolytes based on PEO/PAN hybrids. J Appl Polym Sci 99:1530–1540 Abdollahi S, Ehsani M, Morshedian J, Khonakdar HA (2017) Morphology and physical properties of electrospun polyethylene oxide/polyacrylonitrile mats and related graphene-based nanocomposites. J Vinyl Addit Technol 23:E152–E159 Yördem OS, Papila M, Menceloǧlu YZ (2008) Effects of electrospinning parameters on polyacrylonitrile nanofiber diameter: an investigation by response surface methodology. Mater Des 29:34–44 Gu SY, Ren J, Vancso GJ (2005) Process optimization and empirical modeling for electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofiber precursor of carbon nanofibers. Eur Polym J 41:2559–2568 Sarkar K, Ben GhaliaM, Wu Z, Bose SC (2009) A neural network model for the numerical prediction of the diameter of electro-spun polyethylene oxide nanofibers. J Mater Process Technol 209:3156–3165 Henriques C, Vidinha R, Botequim D, Borges JP, Silva JAMC (2009) A systematic study of solution and processing parameters on nanofiber morphology using a new electrospinning apparatus. J Nanosci Nanotechnol 9:3535–3545 Pan W, Sun Y, Chen Y (2012) Preparation of polyacrylonitrile and polyethyleneglycol blend fibers through electrospinning. Optoelectron Adv Mater Rapid Commun 6:230–234 Ra EJ, An KH, Kim KK et al (2005) Anisotropic electrical conductivity of MWCNT/PAN nanofiber paper. Chem Phys Lett 413:188–193 Moradi R, Karimi-Sabet J, Shariaty-Niassar M, Koochaki MA (2015) Preparation and characterization of polyvinylidene fluoride/graphene superhydrophobic fibrous films. Polymers 7:1444–1463 Jia Y, Chen L, Yu H, Zhang Y, Dong F (2015) Graphene oxide/polystyrene composite nanofibers on quartz crystal microbalance electrode for the ammonia detection. RSC Adv 5:40620–40627 Bao Q, Zhang H, Yang JX, Wang S, Tang DY, Jose R, Ramakrishna S, Lim CT, Loh KP (2010) Graphene-polymer nanofiber membrane for ultrafast photonics. Adv Funct Mater 20:782–791 Wang Q, Du Y, Feng Q, Huang F, Lu K, Liu J, Wei Q (2013) Nanostructures and surface nanomechanical properties of polyacrylonitrile/graphene oxide composite nanofibers by electrospinning. J Appl Polym Sci 128:1152–1157 Mack JJ, Viculis LM, Ali A et al (2005) Graphite nanoplatelet reinforcement of electrospun polyacrylonitrile nanofibers. Adv Mater 17:77–80 Abdollahi S, Ehsani M, Morshedian J et al (2017) Structural and electrochemical properties of PEO/PAN nanofibrous blends: prediction of graphene localization. Polym Compos. https://doi.org/10.1002/pc.24390 Cramariuc B, Cramariuc R, Scarlet R, Manea LR, Lupu IG, Cramariuc O (2013) Fiber diameter in electrospinning process. J Electrostat 71:189–198 Keun W, Ho J, Seung T et al (2004) The effects of solution properties and polyelectrolyte on electrospinning of ultrafine poly(ethylene oxide) fibers. Polymer 45:2959–2966 Yu JH, Fridrikh SV, Rutledge GC (2006) The role of elasticity in the formation of electrospun fibers. Polymer 47:4789–4797 Basu S, Gogoi N, Sharma S, Jassal M, Agrawa AK (2013) Role of elasticity in control of diameter of electrospun PAN nanofibers. Fibers Polym 14:950–956 Deitzel JM, Kleinmeyer J, Harris D, Tan B (2001) The effect of processing variables on the morphology of electrospun nanofibers and textiles. Polymer 42:261–272 Agarwal P, Mishra PK, Srivastava P (2012) Statistical optimization of the electrospinning process for chitosan/polylactide nanofabrication using response surface methodology. J Mater Sci 47:4262–4269 Raghavan P, Zhao X, Kim JK, Manuel J, Chauhan GS, Ahn JH, Nah C (2008) Ionic conductivity and electrochemical properties of nanocomposite polymer electrolytes based on electrospun poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) with nano-sized ceramic fillers. Electrochim Acta 54:228–234 Chan Y, Wang C, Chen C (2013) Quasi-solid DSSC based on a gel-state electrolyte of PAN with 2-D graphenes incorporated. J Mater Chem A 1:5479–5486 Diwan P, Harms S, Raetzke K, Chandra A (2012) Polymer electrolyte-graphene composites: conductivity peaks and reasons thereof. Solid State Ion 217:13–18 Zhang J, Han H, Wu S, Xu S, Yang Y, Zhou C, Zhao X (2007) Conductive carbon nanoparticles hybrid PEO/P(VDF-HFP)/SiO2 nanocomposite polymer electrolyte type dye sensitized solar cells. Solid State Ion 178:1595–1601 Lee HB, Raghu A, Yoon KS, Jeong HM (2010) Preparation and characterization of poly(ethylene oxide)/graphene nanocomposites from an aqueous medium. J Macromol Sci Part B 49:802–809 Chang YW, Lee KS, Lee YW, Bang JH (2015) Poly(ethylene oxide)/graphene oxide nanocomposites: structure, properties and shape memory behavior. Polym Bull 72:1937–1948 Gao S, Zhong J, Xue G, Wang B (2014) Ion conductivity improved polyethylene oxide/lithium perchlorate electrolyte membranes modified by graphene oxide. J Membr Sci 470:316–322 Kim M, Lee L, Jung Y, Kim S (2013) Study on ion conductivity and crystallinity of composite polymer electrolytes based on poly(ethylene oxide)/poly(acrylonitrile) containing nano-sized fillers. J Nanosci Nanotechnol 13:7865–7869 Strawhecker KE, Manias E (2003) Crystallization behavior of poly (ethylene oxide) in the presence of Na + montmorillonite fillers. Chem Mater 15:844–849