Autores
Huarcaya, J. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, LIMA - PERU) ; Huamani, R. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, LIMA - PERU) ; Bryan, C. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, LIMA - PERU) ; Rivera, E. (UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO) ; Quintana, M. (UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA, LIMA - PERU)
Resumo
El electrospinning es un método que se utiliza polímeros a partir de un campo
eléctrico de alto voltaje para generar nanofibras que son expulsadas a través de
una jeringa. Comparado con otros métodos, es un método fácil de utilizar. Se
obtuvieron nanofibras a partir de alcohol polivinílico
(PVA) y acetato de celulosa de manera independiente. Los rangos de los
parámetros que se utilizar para la obtención de fibras de PVA fueron: soluciones
de 9 al 12 % en peso de PVA, voltajes de 12 a 15kv y caudales de 0.9 a 1.2 ml/h.
Para la obtención de fibras de acetato de celulosa se trabajaron con parámetros
en rango de: soluciones de acetato de celulosa de 8 al 10% en peso de acetato de
celulosa, voltaje a 16 a 18.5 kv y caudal de 1 a 1.2 ml/h. Se obtuvieron
nanofibras de PVA y acetato de celulosa a
Palavras chaves
electrospinning; acetato de celulosa; alcohol polivinílico
Introdução
El proceso de electrospinning es un proceso que es utilizado para preparar
nanofibras de polímeros
muy finas y continuas que al someterse a un campo eléctrico este puede brindar
diferentes
morfologías dependiente del polímero a utilizar (WALI ET AL., 2018). No solo se
pueden
electrohilar polímeros, sino también materiales compuestos, cerámicos y metales
(ZHANG ET AL.,
2012). Las nanofibras electrohiladas comparadas con otros materiales exhiben una
alta relación
entre el área superficial / volumen, porosidad y una amplia gama de aplicaciones
(VALLEJOS ET AL.,
2012) en sensores, nanocompuestos 2017), filtros (JI ET al., 2009),
almacenamiento de energía,
biomedicina y medio ambiente (MERTENS ET AL., 2010). Debido a su amplio rango de
aplicaciones,
muchas veces se suelen elaborar estos nanomateriales a partir de polímeros
naturales y sintéticos
(DZENIS, 2004).
El alcohol polivinílico (PVA) es un polímero que presenta características no
toxicas, estable en
altas temperaturas, biocompatible e hidrófilo(YANG ET AL., 2022). También
presentan propiedades
físicas excelentes, como resistencia en agua, permeabilidad a los gases,
estabilidad térmica y
sobre todo es estable en solventes orgánicas(ABRAL ET AL., 2020), a pesar de
tener grandes
propiedades, es un polímero sintético, es por ello que ambientalmente no es muy
atractivo, sin
embargo, el acetato de celulosa es un polímero derivado de la celulosa, que
presenta
características de alta estabilidad, biocompatible, renovable, bajo costo,
degradable, es por ello
que es considerado como uno de los materiales biocompatibles más utilizados
(EDGAR ET AL., 2001).
El objetivo principal de este trabajo es obtener nanofibras mediante el método
de electrospinning
a partir de acetato de celulosa y PVA.
Material e métodos
Materiales: El acetato de celulosa se adquirió de Sigma-Aldrich, alcohol
polivinílico
se adquirió de Himedia y el ácido acético glacial se adquirió en Duksan
Reagents.
Preparación de soluciones
Preparación de la solución para el proceso de electrospinning: Se preparó una
solución
al 12% de PVA en peso con 100 ml de agua destilada, luego se disolvió en un
agitador
magnético a una a 80ºC a 200 rpm durante un periodo de 4h. Luego se preparó una
solución de acetato de celulosa al 10% de acetato de celulosa en peso con una
solución
de 40 ml ácido acético/ agua destilada (3:1), luego se agito en un agitador
magnético
a 30ºC a 550 rpm durante 6h.
Análisis instrumental
Parámetros del proceso de electrospinning: Una vez preparada la solución, se
tomó una
muestra de 20ml para agregarlo a la jeringa. Las nanofibras se obtuvieron en
papel
aluminio para que posteriormente estas se puedan desprender. Los parámetros del
proceso de electrospinning para el PVA fueron incluyen voltaje, caudal y flujo.
Los
parámetros óptimos para la obtención de nanofibras fueron: voltaje (15kv) y
caudal (2
ml/h). Los parámetros para el proceso de electrospinning para el acetato de
celulosa
fueron voltaje, caudal y flujo. Los parámetros óptimos para la obtención de
nanofibras
fueron: voltaje (18.5kv) y caudal (1.2 ml/h).
Resultado e discussão
Durante el proceso electrospinning de PVA, se prepararon soluciones de 9 al 12 %
en peso,
voltajes de 12 a 15kv y caudales de 0.9 a 1.2 ml/h, los procesos se realizaron a
una
distancia de 10cm. Durante el proceso se pudo observar que no se llegaba a
formar el cono
de Taylor en soluciones menores a 12% de PVA en peso, voltajes menores a 15kv y
caudales
menores a 1.2 ml/h, no obstante, (KOSKI ET AL., 2004) indica que la
concentración, voltaje
y caudal tienen un efecto significativo en la formación de nanofibras. Nuestros
hallazgos
corroboran la información dada por otros autores (LEACH ET AL., 2011).A
concentraciones de 12%
en peso de PVA, voltaje de 15kv y caudal de 1.2 ml/h se llegan a formar fibras
(figura 1).
Para el proceso de electrospinning de acetato de celulosa, se prepararon
soluciones de 8
al 10% en peso, voltaje a 16 a 18.5 kv y caudal de 1 a 1.2 ml/h. Durante el
proceso se
pudo observar que el parámetro que más influenciaba en la formación de
nanofibras fue la
concentración, ya que a concentraciones menores el cono de Taylos no se
estabilizaba,
generando así la formación de nanofibras cortadas. Según (ANGEL ET AL., 2020)
indica que
en concentraciones menores al 9% en peso no se pueden electroilar, ya que no se
llegan a
producir flujos continuos.
En la figura 2 se puede observar que mediante el método de microscopía de fuerza
atómica
(AFM, analizados con Gwyddion 2.53) se estudió la topografía de la superficie de
los
materiales fibrosos de acetato de celulosa y PVA. Los resultados que se
obtuvieron
indican una superficie lisa para el PVA y el acetato de celulosa. Según (HASSAN
ET AL.,
2019) indica que todos los materiales nanofibrosos presentan una superficie lisa
con
morfologías planas; lo cual pudimos corroborar mediante el método de AFM
Conclusões
Se llegaron a formar nanofibras de PVA a concentraciones de: 12% en peso, voltaje
15kv y un caudal 1.2 ml/h; sin embargo, en concentracione menores no se llegaron
a formar nanofibras. Tambien se pudo observar que a voltajes menores a 15kv no se
llegaba a formar correctamente el cono de Taylor. Respecto a la formacion de
nanofibras de acetato de celulosa se dio a concentraciones de: 10% en peso,
voltaje 18.5 kv y caudal 1.2 ml/h. Durante la formacion de nanofibras, se pudo
observar que a concentraciones menores del 10% en peso, no se llegaban a formar el
cono de Taylor de manera constante.
Agradecimentos
Este trabajo fue apoyado financieramente por PROCIENCIA a través del proyecto
N°204-FONDECYT-2020.
Referências
Abral, H., Atmajaya, A., Mahardika, M., Hafizulhaq, F., Kadriadi, Handayani, D., Sapuan, S. M., & Ilyas, R. A. (2020). Effect of ultrasonication duration of polyvinyl alcohol (PVA) gel on characterizations of PVA film. Journal of Materials Research and Technology, 9(2), 2477–2486. https://doi.org/10.1016/J.JMRT.2019.12.078
Angel, N., Guo, L., Yan, F., Wang, H., & Kong, L. (2020). Effect of processing parameters on the electrospinning of cellulose acetate studied by response surface methodology. Journal of Agriculture and Food Research, 2, 100015. https://doi.org/10.1016/J.JAFR.2019.100015
Dzenis, Y. (2004). Spinning continuous fibers for nanotechnology. Science, 304(5679), 1917–1919. https://doi.org/10.1126/SCIENCE.1099074/ASSET/3CD9D3AA-3492-49C7-B340-C72B525308FA/ASSETS/SCIENCE.1099074.FP.PNG
Edgar, K. J., Buchanan, C. M., Debenham, J. S., Rundquist, P. A., Seiler, B. D., Shelton, M. C., & Tindall, D. (2001). Advances in cellulose ester performance and application. Progress in Polymer Science, 26(9), 1605–1688. https://doi.org/10.1016/S0079-6700(01)00027-2
Guan, Y., Li, W., Zhang, Y., Shi, Z., Tan, J., Wang, F., & Wang, Y. (2017). Aramid nanofibers and poly (vinyl alcohol) nanocomposites for ideal combination of strength and toughness via hydrogen bonding interactions. Composites Science and Technology, 144, 193–201. https://doi.org/10.1016/J.COMPSCITECH.2017.03.010
Hassan, M., Berglund, L., Abou-Zeid, R., Hassan, E., Abou-Elseoud, W., & Oksman, K. (2019). Nanocomposite Film Based on Cellulose Acetate and Lignin-Rich Rice Straw Nanofibers. Materials 2019, Vol. 12, Page 595, 12(4), 595. https://doi.org/10.3390/MA12040595
Ji, H. M., Lee, H. W., Karim, M. R., Cheong, I. W., Bae, E. A., Kim, T. H., Islam, M. S., Ji, B. C., & Yeum, J. H. (2009). Electrospinning and characterization of medium-molecular-weight poly(vinyl alcohol)/high-molecular-weight poly(vinyl alcohol)/ montmorillonite nanofibers. Colloid and Polymer Science, 287(7), 751–758. https://doi.org/10.1007/S00396-009-2019-Y/FIGURES/8
Koski, A., Yim, K., & Shivkumar, S. (2004). Effect of molecular weight on fibrous PVA produced by electrospinning. Materials Letters, 58(3–4), 493–497. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(03)00532-9
Leach, M. K., Feng, Z. Q., Tuck, S. J., & Corey, J. M. (2011). Electrospinning Fundamentals: Optimizing Solution and Apparatus Parameters. JoVE (Journal of Visualized Experiments), 47, e2494. https://doi.org/10.3791/2494
Mertens, J. R., Yang, H., & Ko, F. K. (2010). Electrospinning Nafion nanofibers for use in aqueous environments. International SAMPE Symposium and Exhibition (Proceedings). https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-78649480706&origin=resultslist&sort=r-f&src=s&st1=electrospinning+environment&sid=bc3d9e5fcc23c2a5f2e3c0372225983f&sot=b&sdt=b&sl=42&s=TITLE-ABS-KEY%28electrospinning+environment%29&relpos=1&citeCnt=0&searchTerm=
Vallejos, M. E., Peresin, M. S., & Rojas, O. J. (2012). All-Cellulose Composite Fibers Obtained by Electrospinning Dispersions of Cellulose Acetate and Cellulose Nanocrystals. Journal of Polymers and the Environment, 20(4), 1075–1083. https://doi.org/10.1007/S10924-012-0499-1/FIGURES/5
Wali, A., Zhang, Y., Sengupta, P., Higaki, Y., Takahara, A., & Badiger, M. V. (2018). Electrospinning of non-ionic cellulose ethers/polyvinyl alcohol nanofibers: Characterization and applications. Carbohydrate Polymers, 181, 175–182. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2017.10.070
Yang, S., Xu, Z., Zhao, T., Zhang, T., & Zhao, Y. (2022). Emulsion-templated, hydrophilic and underwater oleophobic PVA aerogels with enhanced mechanical property. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 653, 129979. https://doi.org/10.1016/J.COLSURFA.2022.129979
Zhang, Q., Li, M., Liu, J., Long, S., Yang, J., & Wang, X. (2012). Porous ultrafine fibers via a salt-induced electrospinning method. Colloid and Polymer Science, 290(9), 793–799. https://doi.org/10.1007/S00396-011-2563-0/FIGURES/8
