Production à haut débit de nanofibres de haute qualité par électrofilage de surface libre modifié

Résumé

En s'appuyant sur l'électrofilage par bulles (BE), nous avons développé un système d'électrofilage de surface libre modifié (MFSE) qui intègre une buse à air conique avec un réservoir en tube de cuivre, augmentant significativement le rendement de nanofibres de haute qualité. Le processus MFSE incorpore le dodécylbenzène sulfonate de sodium (SDBS) pour générer des bulles de surface. Nous avons examiné comment la tension appliquée et la formation de bulles influencent la morphologie des fibres et le débit à travers des mesures expérimentales et une modélisation théorique. Les distributions de champ électrique calculées correspondent étroitement aux observations expérimentales, confirmant que des tensions plus élevées améliorent la qualité des fibres et la production, tandis que la présence de bulles tend à réduire les deux.

Contexte

L'électrofilage est largement considéré comme une technique simple et puissante pour produire des nanofibres polymères. En raison de leur grande surface spécifique, énergie de surface et activité de surface, les nanofibres électrofilées ont trouvé des applications dans divers domaines — tissus non-tissés [1], fibres renforcées [2], systèmes d'administration de médicaments [3], ingénierie tissulaire [4], piles à combustible [5], composites [6], filtration [7], photonique [8], capteurs [9], supercondensateurs [10], pansements [11], et plus [12–15].

L'électrofilage traditionnel à aiguille unique souffre cependant d'un faible débit, délivrant généralement seulement 0,01–0,1 g/h [16]. Par conséquent, il y a eu une poussée concertée pour augmenter les taux de production. Les avancées notables incluent les systèmes multi-aiguilles [17], les conceptions à tube poreux [18], l'électrofilage de surface libre (FSE) piloté par champs magnétiques et électriques [19], les générateurs à rouleau rotatif [20], les filières coniques sans aiguille en fil métallique [21], les cônes rotatifs de grande taille [22], les filières en cuivre en forme de pyramide [23], les générateurs de bulles par pompe à gaz [24], et les filières aiguille-disque [25]. Les simulations numériques des jets chargés et les études des effets de champ électrique [27] et magnétique [28] ont encore élucidé la dynamique des jets [26].

Dans ce travail, nous présentons une plateforme d'électrofilage de surface libre modifié (MFSE) qui couple une buse à air conique avec un réservoir en tube de cuivre pour atteindre la fabrication à haut débit de nanofibres de qualité, s'appuyant sur l'électrofilage par bulles (BE) [24]. Le réservoir en cuivre et la buse génèrent plusieurs jets, initiant le processus d'électrofilage. Nous quantifions expérimentalement la distribution des diamètres et le débit, montrant que l'augmentation de la tension appliquée améliore à la fois la qualité et le rendement. Comparé au BE, le MFSE tolère des tensions plus élevées, produisant des fibres plus fines avec une distribution de diamètres plus étroite et un débit substantiellement plus élevé.

Les agents tensioactifs sont couramment utilisés pour abaisser la tension de surface des solutions polymères, facilitant ainsi la formation et la stabilisation des bulles [29]. Nos travaux antérieurs ont démontré qu'une simple addition de dodécylbenzène sulfonate de sodium (SDBS) réduit nettement la tension de surface, favorise la génération de bulles et améliore les performances mécaniques des nanofibres de polyvinyl alcool (PVA) électrofilées [30]. En conséquence, nous avons incorporé le SDBS dans la solution d'électrofilage pour générer des bulles à la surface du liquide. Nous avons étudié l'impact des bulles sur la morphologie des fibres et la production à la fois expérimentalement et théoriquement, confirmant que la présence de bulles tend à diminuer la qualité et le débit.

Méthodes

Matériaux

PVA (M_w ≈ 1750 ± 50 g/mol) et SDBS ont été achetés auprès de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, Chine). Une solution aqueuse de PVA à 7 % en poids a été préparée en dissolvant la poudre de PVA dans l'eau déionisée, suivie de l'ajout de 0,3 % en poids de SDBS. Le mélange a été agité à 90 °C pendant 2 h jusqu'à homogénéité. Tous les réactifs étaient de grade analytique et utilisés sans purification supplémentaire.

Appareil MFSE

L'installation MFSE est illustrée dans la Fig. 1. Elle comprend un générateur haute tension variable (0–150 kV, TRC2020, Dalian Teslaman Technology Co., LTD), une pompe à gaz (TEION4500co, Eiko, Japon), une buse à air conique droite avec un tube à gaz, un réservoir vertical en tube de cuivre (diamètre intérieur = 40 mm, hauteur = 30 mm), et un collecteur mis à la terre positionné au-dessus du réservoir. La buse a une hauteur de 20 mm, un diamètre de base de 40 mm et un diamètre supérieur de 1,5 mm, fabriquée en polyéthylène (PE). Son extrémité est alignée au ras du sommet du réservoir. La borne positive du générateur se connecte directement au réservoir, définissant la tension de filage.

En contraste, l'appareil BE utilise un réservoir en tube polymère avec une buse polymère fine et une aiguille métallique mince servant d'électrode positive. Cette configuration limite la tension applicable. Par conséquent, le BE produit généralement des nanofibres à seulement ~3 g/h [24].

Processus MFSE

Suivant des protocoles établis [23, 29] et nos travaux antérieurs [30], nous avons opéré le système MFSE avec les paramètres suivants : PVA 7 % en poids, SDBS 0,3 % en poids, tension appliquée variant de 30 à 70 kV, et une distance de travail de 13 cm entre la buse et le collecteur. Les expériences étaient menées à 20 °C et 60 % d'humidité relative.

La solution de PVA était versée dans le réservoir, relevant la surface du liquide au-dessus de la buse. À l'ouverture progressive de la vanne de gaz, un arc se forme autour de la buse en raison de la tension de surface. Lorsque la tension appliquée dépasse le seuil, de multiples jets s'initient à partir de la surface liquide convexe, comme représenté dans la Fig. 2.

L'ajout de SDBS génère des bulles (10–30 mm de diamètre) sur la surface libre. Ces bulles se brisent en bulles plus petites, et lorsque la tension de surface réduite atteint une valeur critique, de multiples jets sont éjectés des surfaces des bulles, comme montré dans la Fig. 3.

Mesures et Caractérisations

La dynamique des jets était enregistrée avec une caméra haute définition (25 000 ips, KEYENCE VW-9000, Japon). Le diamètre et la morphologie des fibres étaient évalués par microscopie électronique à balayage (MEB ; Hitachi S-4800, Japon). Les échantillons étaient séchés à température ambiante et métallisés à l'or (10 min, IB-3, Eiko, Japon). Les distributions de diamètres étaient quantifiées avec ImageJ (National Institute of Mental Health, USA). Les simulations de champ électrique utilisaient Maxwell 2D (ANSOFT Corporation, USA).

Résultats et Discussion

Effet de la tension appliquée sur les nanofibres de PVA

Les images MEB et les distributions de diamètres pour les fibres MFSE et BE à tensions variables sont montrées dans la Fig. 4. À 30 kV, les fibres MFSE présentent un diamètre moyen de 148 ± 8,53 nm, alors que les fibres BE ont une moyenne de 190 ± 8,26 nm — démontrant une sortie MFSE plus fine et plus homogène. La distribution des diamètres se resserre avec l'augmentation de la tension dans le processus MFSE.

Les Figures 5 et 6 illustrent comment la tension appliquée affecte le diamètre moyen et la production en MFSE. En dessous de 30 kV, les jets sont rares en raison d'une force électrique insuffisante. À 70 kV, la force électrique accélère la montée du jet, pourtant l'ascension rapide réduit l'étirement supplémentaire, résultant en une tendance de diamètre non monotone : diminution initiale suivie d'une légère augmentation. La production, cependant, augmente régulièrement avec la tension. Ces résultats confirment le rôle crucial de la tension dans la performance du MFSE.

Parce que l'électrode positive du système BE est une aiguille polymère, il fonctionne à une tension plus faible, limitant la production à ~3 g/h [24].

Effet du SDBS sur les nanofibres de PVA

Le tableau 1 rapporte la conductivité électrique accrue et la tension de surface réduite des solutions de PVA avec 0,3 % en poids de SDBS. Les Figures 7 et 8 présentent les images MEB et les distributions de diamètres pour les fibres filées à partir de solution contenant du SDBS à 60 kV sur des temps de filage variables. Bien que le diamètre moyen soit plus grand que celui du PVA pur, la distribution des diamètres reste stable au cours du temps, et le débit atteint 12,5 g/h. Ces résultats indiquent que la génération de bulles, tout en augmentant le diamètre, réduit légèrement la production — probablement en raison de l'énergie perdue dans la déformation et la rupture des bulles, ce qui réduit l'accélération du jet et donc le débit.

Les essais mécaniques de membranes fabriquées à partir de PVA avec et sans SDBS sont résumés dans le tableau 2. La résistance à la traction et l'allongement à la rupture s'améliorent tous deux avec l'ajout de SDBS, soulignant le rôle du tensioactif dans l'amélioration des performances mécaniques.

Analyse théorique

Puisque le champ électrique est le principal moteur de la formation des jets, nous avons modélisé la distribution du champ autour de la surface libre et des bulles en utilisant Maxwell 2D. La Figure 9 affiche les champs simulés pour une distance de travail de 13 cm et une tension appliquée de 60 kV, en considérant un réservoir en cuivre (40 mm × 30 mm), des diamètres de bulles de 20 mm et 25 mm, et les propriétés de la solution (tension de surface 45 mN/m pour PVA pur, 33 mN/m avec SDBS ; conductivité 8,8 µS/cm et 43 µS/cm, respectivement).

La Figure 9a révèle un champ intense et hautement hétérogène à la surface libre courbée, particulièrement près du bord du réservoir — une région où les jets émergent en premier. En contraste, les bulles exhibent une intensité de champ plus faible, expliquant pourquoi les jets induits par bulles s'étirent moins et contribuent à des diamètres de fibres plus grands et un débit réduit. Les prédictions théoriques s'alignent bien avec les observations expérimentales.

Conclusions

Nous avons introduit un système d'électrofilage de surface libre modifié qui couple une buse à air conique avec un réservoir en tube de cuivre, permettant la fabrication à haut débit de nanofibres de haute qualité pour des périodes de filage prolongées. Des études systématiques confirment que l'augmentation de la tension appliquée améliore à la fois la qualité des fibres et la production. Comparé à l'électrofilage par bulles, le MFSE tolère des tensions plus élevées, produisant des fibres plus fines, des distributions de diamètres plus serrées et un débit nettement plus élevé.

L'incorporation de SDBS dans la solution de PVA génère des bulles de surface, qui, tout en augmentant légèrement le diamètre des fibres, réduisent modestement la production — probablement en raison de pertes d'énergie lors de la formation et de la rupture des bulles. Les essais mécaniques montrent que le SDBS améliore la résistance à la traction et l'allongement à la rupture des membranes résultantes.

Les simulations de champ électrique utilisant Maxwell 2D corroborent les résultats expérimentaux, démontrant qu'une intensité de champ plus élevée à la surface libre entraîne la formation de jets plus efficacement qu'aux sites de bulles.

Abréviations

BE

Électrofilage par bulles

Co., Ltd.

Société à responsabilité limitée

FSE

Électrofilage de surface libre

MFSE

Électrofilage de surface libre modifié

PE

Polyéthylène

PVA

Polyvinyl alcool

SDBS

Dodécylbenzène sulfonate de sodium

MEB

Microscopie électronique à balayage

% en poids

Fraction massique