Elektrospinnen auf isolierende Substrate durch Oberflächenbenetzbarkeit und lokale Feuchtekontrolle

Zusammenfassung

Wir präsentieren eine einfache Technik, die das Elektrospinnen von Polymeren auf flexible, nicht-leitende Substrate ermöglicht, indem Oberflächenbenetzbarkeit und kontrollierte Feuchte genutzt werden. Durch Erhöhung der lokalen relativen Feuchte um eine plasmabehandelte, hydrophile Polymeroberfläche adsorbieren Wassermonolagen und dienen als transiente Erdungselektrode. Elektrogesponnene Fasern lagern sich selektiv auf den hydrophilen Bereichen ab, was eine präzise Musterung ohne komplexe Elektrodenfertigung erlaubt. Nahfeld-Elektrospinnen demonstriert weiterhin das direkte Schreiben von Polymer-Nanofasern auf hydrophilen Oberflächen und eröffnet Wege für tragbare und flexible elektronische Geräte.

Hintergrund

Elektrospinnen – ein ökonomisches Verfahren zur Herstellung kontinuierlicher Nanofasern im sub-mikrometerigen Bereich – beruht auf einem elektrischen Feld, das zwischen einer Hochspannungsquelle, einer Spinndüse und einem Sammler erzeugt wird. Traditionell ist der Sammler ein leitfähiges Substrat (z. B. Metall), das als Erdungselektrode dient und ein stabiles elektrisches Feld gewährleistet. Wenn ein nicht-leitfähiges Substrat erforderlich ist, müssen externe leitende Schichten hinzugefügt werden, um die Erdung bereitzustellen [4].

Viele industrielle Anwendungen erfordern Abscheidung auf isolierenden, flexiblen Polymeren [6]. Bisher wurde dies nur für sehr dünne Isolierschichten (≤100 µm) oder durch komplexe AC-pulsmodulierte elektrohydrodynamische Techniken erreicht, die spezielle Ausrüstung erfordern [7]. Obwohl Elektrospinnen auf flüssige Elektrolyte untersucht wurde [9–12], blieb ein einfacher, skalierbarer Ansatz für beliebige isolierende Substrate unentdeckt.

Wir führen eine Methode ein, die die Leitfähigkeit adsorbierter Wasserschichten auf hydrophilen Oberflächen in einer hochfeuchten Umgebung ausnutzt. Eine dünne Wassermonolage kann bei relativer Feuchte (RF) über 50 % Elektrizität leiten [13]. Durch Kontrolle der lokalen Feuchte um ein plasmabehandeltes Polymer fungiert das adsorbierte Wasser als Erdungselektrode, was Elektrospinnen unabhängig von der Substratdicke und kompatibel mit konventionellen Aufbauten ermöglicht.

Methoden

Herstellung eines hydrophilen Polymer-Substrats

Ein 500-µm-Acrylblech mit natürlich hydrophober Oberfläche wurde 30 s lang Sauerstoffplasma (CUTE, Femto Science, Korea) ausgesetzt. Diese Behandlung führte Silanolgruppen (SiOH) ein und reduzierte den Wasserbenetzungswinkel von 81,3° auf 36,7°, was die erfolgreiche Hydrophilisierung bestätigt [14]. Selektive Hydrophilisierung wurde durch Abdecken von Bereichen vor der Plasmaexposition erreicht.

Elektrospinn-Aufbau

Elektrospinnen wurde bei Raumtemperatur (≈22 °C) und moderater RF (40–50 %) durchgeführt. Eine 10 Gew.-% Polyurethan (PU)-Lösung (Pellethane 2363-80AE; Lubrizol, USA) gelöst in einem 80/20 (v/v) THF/DMG-Gemisch diente als Spinnflüssigkeit. Für Vergleichsstudien wurden PU-Fasern auf einen Acrylsammler abgeschieden, der hydrophile und hydrophobe Bereiche kombinierte (Abb. 1a).

Schema des Elektrospinnprozesses auf einem Polymer-Substrat mit lokaler Feuchtekontrolle (a) und eine Nahaufnahme des Grenzflächenbereichs (b).

Lokale Feuchtekontrolle

Um die Feuchte in der Nähe des Sammlers zu erhöhen, wurde ein nasses Papier zwischen das Acrylsubstrat und die Erdungselektrode gelegt (Abb. 1b). Da Wasserdampf langsam diffundiert, erreichte die RF nahe dem Substrat ~70 %, während die Umgebung der Spitzennadel bei ~50 % blieb (Zusatzdatei 1: Abb. S2). Dieser lokale Anstieg gewährleistet schnelle Wasseradsorption auf hydrophilen Oberflächen und erleichtert die elektrostatische Kopplung [15].

Ergebnisse und Diskussion

Elektrospinn-Modi

Wir untersuchten zwei Konfigurationen: (1) Fernfeld-Elektrospinnen (Düse-Sammler-Distanz = 8 cm, 13 kV DC) und (2) Nahfeld-Elektrospinnen (Distanz = 1 cm, 2 kV DC, bewegte Spitze bei 100 mm s^-1). Im Fernfeldmodus bildeten sich Fasern nur auf hydrophilen Bereichen; die hydrophoben Abschnitte blieben ablagerungsfrei (Abb. 2). Die adsorbierte Wasserschicht auf der hydrophilen Oberfläche bot die notwendige Erdung, während die hydrophobe Oberfläche die elektrische Feldbildung hemmte. Nahfeldexperimente zeigten, dass Fasern direkt entlang der Spitzenbahn auf hydrophilen Regionen geschrieben werden konnten, wodurch kontinuierliche Linien entstanden; Fasern auf hydrophoben Bereichen erschienen instabil und verdrillt.

Fernfeld-elektrogesponnene Filme auf Oberflächen mit unterschiedlicher Benetzbarkeit. a und c zeigen makroskopische Bilder; b und d zeigen Mikrographien der Grenzflächenbereiche.

Vier Polymere – PCL, PS, CA und PVDF – wurden getestet, um die Vielseitigkeit zu bestätigen. In jedem Fall wurden Fasern ausschließlich auf hydrophilen Regionen abgeschieden (Abb. 3). SEM-Analysen (Abb. 4) zeigten, dass die Fasermorphologie auf dem Polymer-Sammler derjenigen auf konventionellen Metallelektroden entsprach, was bestätigt, dass die lokale Feuchtekontrolle die Faserqualität nicht beeinträchtigt.

Elektrogesponnene Fasern von (a) PCL, (b) PS, (c) CA und (d) PVDF auf hydrophilen versus hydrophoben Oberflächen (Maßstab: 10 mm).

SEM-Bilder zum Vergleich von PU-Fasern auf einer Metallelektrode (a, d) ohne Feuchtekontrolle, Metallelektrode mit Feuchtekontrolle (b, e) und hydrophilem Polymer-Substrat mit Feuchtekontrolle (c, f) unter 12 kV DC.

Die elektrische Feldstärke beeinflusst auch die Ablagerungsmuster. Mit steigender angelegter Spannung von 6 kV auf 16 kV (Düse-Sammler-Distanz = 8 cm) intensivierte sich die Biegeinstabilität des Strahls, was zu größeren Schlaufen führte, die Fasern auf den hydrophoben Bereichen ablagerten (Abb. 5). Bei niedrigeren Spannungen sammelten sich Fasern überwiegend auf der hydrophilen Oberfläche.

PU-Faserablagerung auf hydrophiler (rechts) und hydrophober (links) Oberfläche bei angelegten Spannungen von 6, 8, 10, 12, 14 und 16 kV (Maßstab: 10 mm).

Nahfeldexperimente validierten die Methode weiter. Wenn der Sammler ein hydrophiles Polymer war, erzeugte die Spitze gerade, kontinuierliche Linien, während auf einem hydrophoben Sammler die Fasern instabil und gekrümmt waren (Abb. 6). Dies demonstriert, dass direktes Musteraufbringen auf isolierenden Substraten ohne externe Elektroden erreichbar ist.

Nahfeld-elektrogesponnene Filme auf (a) hydrophober und (b) hydrophiler Oberfläche; (c) Digitalfoto von Fasern, die auf ein hydrophiles Substrat geschrieben wurden; (d) Mikrographie desselben. Die vertikale Linie markiert die Grenze zwischen hydrophiler (links) und hydrophober (rechts) Region.

Schlussfolgerungen

Wir haben einen einfachen, skalierbaren Ansatz etabliert, um auf isolierende Substrate beliebiger Dicke zu elektrospinnen, indem Oberflächenbenetzbarkeit und kontrollierte lokale Feuchte genutzt werden. Sauerstoffplasma macht die Polymeroberfläche hydrophil, sodass adsorbiertes Wasser bei ~70 % RF als Erdungselektrode fungiert. Elektrogesponnene Nanofasern auf dem hydrophilen Sammler entsprechen der Morphologie, die auf konventionellen Metallelektroden erzielt wird, und Nahfeld-Schreiben liefert präzise Fasermuster auf hydrophilen Bereichen ansonsten isolierender Oberflächen. Diese Strategie eliminiert die Notwendigkeit komplexer MEMS- oder Elektrodenfertigung und ermöglicht die Integration elektrogesponnener Nanofasern in flexible, tragbare Elektronik und andere neuartige Anwendungen.