Design and fabrication of an electrospinning system to obtain polymeric nanofibers.
Jesús Adolfo Sánchez-Uribe 1, David Meneses-Rodríguez 2, Rocio Martínez-Flores 1*
1 Tecnológico Nacional de México, TecNM, Instituto Tecnológico Superior de Monclova, Carretera 57 Km. 4.5, Monclova, Coahuila 25733, México
1 Departamento de Física Aplicada, CINVESTAV-IPN, Antigua Carretera a Progreso km 6, Mérida, Yucatán, 97310, México.
*Correspondencia: Rocio Martínez Flores
Instituto Tecnológico Superior de Monclova
Correo electrónico: rocio.mf@monclova.tecnm.mx
Cel: (866) 140 30 80
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7696-0433
CienciAcierta No. 71 julio – septiembre de 2022
Artículo PDF
Resumen
Hoy en día, el proceso de fabricación de nanomateriales es un gran desafío que demanda la implementación de tecnologías de alta precisión, que garanticen el desempeño y reproducibilidad de estos materiales. En esta perspectiva, los extraordinarios avances en nanotecnología y nanociencia han permitido el desarrollo de nuevas técnicas para sintetizar nanomateriales 1D, 2D y 3D. Específicamente, en el campo de los materiales 1D, el electrohilado es una técnica de procesamiento ampliamente utilizada para fabricar nanofibras debido al efectivo control sobre la morfología final de las nanofibras. Sin embargo, esta técnica sigue siendo limitada en términos de un costo de procesamiento más accesible y el uso de solventes más amigables con el medio ambiente. El presente trabajo se enfocó en el diseño y fabricación de un sistema de electrohilado simple y de bajo costo para fabricar nanofibras. Para lo anterior, primero se fabricaron y ensamblaron los principales componentes del sistema de electrohilado: la fuente de poder, bomba reguladora de flujo y colector. Posteriormente, el correcto funcionamiento del sistema se comprobó utilizando una dispersión de alcohol polivinílico (PVA, grado comercial) y agua desionizada bajo los siguientes parámetros de operación: flujo constante de 6 mL/h, voltaje de 4.5 kV y una distancia de trabajo de 5 cm. Además, se estudió el efecto de la concentración de la dispersión sobre el diámetro de las fibras fabricadas. El PVA se caracterizó por espectroscopia infrarroja (FTIR), mientras que la caracterización morfológica de las fibras obtenidas se llevó a cabo mediante microscopia electrónica de barrido (MEB). Como primera aproximación y después de múltiples procesos de optimización de la ingeniería, se logró exitosamente fabricar nanofibras poliméricas continuas y reproducibles con un diámetro promedio de 200-290 nm, aun y cuando se utilizaron precursores de grado comercial. La matriz de nanofibras interconectadas más homogénea y con una mayor cantidad de nanofibras se obtuvo con la concentración de 8.5 % de PVA. El presente trabajo representa una atractiva ruta para desarrollar tecnología local que cierre la brecha entre la producción de nanomateriales a pequeña y gran escala.
Palabras Clave: Electrohilado, nanotecnología, nanofibras, polímeros
Abstract
Nowadays, the manufacturing process of nanomaterials is a great challenge, it demands the implementation of high-precision technologies, which guarantees the performance and reproducibility of these materials. In this perspective, the extraordinary advances in nanotechnology and nanoscience have allowed the development of new techniques to synthesize 1D, 2D and 3D nanomaterials. Specifically, in the field of 1D materials, electrospinning is a widely processing technique employed to fabricate nanofibers due to its effective control over the final nanofiber’s morphology. However, this technique is still limited in terms of a more accessible processing cost and using more environmentally friendly solvents. The present work is focused on the design and fabrication of a simple and low-cost electrospinning system to fabricate nanofibers. For the above, the main components of the electrospinning system were first manufactured and assembled: the power source, flow regulator pump and collector. Subsequently, the correct operation of the system was verified using a dispersion of polyvinyl alcohol (PVA, commercial grade) and deionized water under the following operating parameters: constant flow of 6 mL/h, voltage of 4.5 kV and a working distance of 5 cm. In addition, the effect of dispersion concentration on the diameter of the manufactured fibers was studied. The PVA was characterized by infrared spectroscopy, while the morphological characterization of the fibers obtained was carried out by scanning electron microscopy (SEM). As a first approach and after multiple engineering optimization processes, continuous and reproducible polymeric nanofibers with an average diameter of 200-290 nm were successfully manufactured, even when commercial grade precursors were used. The most homogeneous matrix of interconnected nanofibers and with a greater number of nanofibers was obtained with the concentration of 8.5% PVA. The present work represents an attractive route to develop local technology that closes the gap between the production of nanomaterials on a small and large scale.
Keywords: Electrospinning , nanotechnology, nanofibers, polymers.
