EFFECT OF ELECTROSPINNING VARIABLES ON FIBER DIAMETER AND MEASURED ELECTRIC CURRENT

Abstract

Electrospinning is a technique used to produce continuous nanofibers with diameters in the range of nm-μm. Electrospun nanofibers are potential candidates for applications such as tissue engineering, filters, wound dressings, composite reinforcement, and drug delivery materials, among others. In this study, electrospinning is used to fabricate biodegradable nanocomposite fibers using poly caprolactone (PCL) and cellulose propionate (CP) as a reinforcing agent. Non-halogenated co-solvents have been selected using solubility graphs based on the fractional cohesion parameter of solvents. A single variable optimization method has been used for the optimization of different electrospinning process parameters including solvent ratio, polymer concentration, applied voltage, flow rate and tip to collector distance. Scanning electron microscopy was used to characterize the nanofibers’ morphology and diameter, and the resulting diameters were plotted against each process variable in order to determine optimal processing conditions for the production of uniform fibers with the narrowest fiber distribution. The measured diameter of the spun fibers for the studied process variables was modeled using the terminal jet theory. Electric current was measured during electrospinning and the results revealed valuable information about the mechanism at play during the process. Jet motions such as whipping or splitting are shown to directly impact fiber diameter and the measured electric current. The thermal properties and crystallinity of the resulting nanofibers were evaluated using differential scanning calorimetry which showed an increase in crystallinity of the nanofibers when compared to the bulk polymer. Finally, tensile strength and elongation of the resulting nanofibers were studied using dynamic mechanical analysis which revealed an increase of tensile strength for CP-PCL blends.

L’électrofilage est une technique utilisée pour produire des nanofibres continues avec des diamètres de l'ordre de nm-µm. Les nanofibres électrofilées sont des candidates potentielles pour des applications telles que le génie tissulaire, les filtres, pansements pour plaies, le renfort composite, et des matériaux de délivrance de médicaments, entre autres. Dans cette étude, l’électrofilage est utilisé pour fabriquer des fibres de nanocomposites biodégradables de poly-caprolactone (PCL) en utilisant le propionate de cellulose (CP) comme agent de renforcement. Des co-solvants non halogénés ont été sélectionnés en utilisant des graphiques de solubilité en fonction du paramètre de cohésion fractionnaire des solvants. Un procédé d'optimisation à variable unique a été utilisé pour l'optimisation des différents paramètres du procédé d'électrofilage. Les paramètres étudiés inclus le taux de solvant, la concentration en polymère, le voltage appliqué, le débit de la solution et la distance de la pointe au collecteur. La microscopie électronique à balayage a été utilisée afin de caractériser la morphologie et le diamètre des nanofibres. Les diamètres obtenus ont été tracé en fonction de chaque variable du procédé afin de déterminer les conditions de traitement optimales pour la production des plus petites fibres possible et le plus uniforme possible. Le diamètre mesuré des fibres filées a été modélisé, en fonction des paramètres de mise en œuvre, en utilisant la théorie du jet terminal. Le courant électrique a été mesuré au cours de l'électrofilage et les résultats ont révélés de précieuses informations sur le mécanisme en jeu lors de l'électrofilage. Les mouvements du jet tels que la flagellation ou le fractionnement ont un impact direct sur le diamètre des fibres et le courant électrique mesurés. Les propriétés thermiques et la cristallinité des nanofibres résultantes ont été évaluées en utilisant la calorimétrie différentielle à balayage qui montre une augmentation de la cristallinité des nanofibres par rapport au polymère en vrac. Enfin, la résistance à la traction et l'allongement des nanofibres résultantes ont été étudiés en utilisant une analyse mécanique dynamique qui a révélé une augmentation considérable de la résistance à la traction pour les mélanges de CP-PCL.