Funkcionalizace nanotextilií s využitím energetických iontů se zaměřením na modifikaci elektrických vlastností

Bc. Eva ŠTĚPANOVSKÁ

Master's thesis

Functionalization of nanotextiles by energetic ions with focus on the modification of electrical properties

Abstract:

Práce je zaměřena na modifikaci polymerních nanotextilií PA6 a PVDF vytvořených procesem elektrostatického zvláknění. Modifikace polymerních nanovláken probíhala ozářením iontovými svazky H+ s energií 1 MeV a C3+ s energií 5 MeV s iontovými fluencemi (1,8; 3,7; 5,6) × 1014 cm-2 na urychlovači Tandetron 4130 MC. Účinky iontové implantace na polymerní nanovlákna byly porovnávány s výsledky modifikace nanovláken Ar ionty v nízkotlakém plazmatu. Plazmatická modifikace polymerních nanovláken byla provedena za nízkého tlaku Ar plynu v aparatuře FlexiLab (HVM Plasma, ČR). Plazma bylo buzeno stejnosměrným proudem (DC plazma). Po implantaci iontů došlo v obou polymerech k silné karbonizaci doprovázené štěpením postranních polymerních řetězců. Ta se u obou polymerů projevila silnou dehydrogenací, u PA6 pak snížením koncentrace N a u PVDF defluorací. Nejúčinnější modifikací se zdá být implantace H+ iontů při nejnižší iontové fluenci, neboť nedochází k silným chemickým a strukturním změnám, a přesto vykazují nanovlákna zvýšenou elektrickou vodivost a vyšší povrchové napětí. Tyto výsledky jsou tak perspektivní pro možné využití nanovláken v oblasti senzoriky či elektroniky. Při modifikaci v plazmatu byl ovlivněn zejména povrch polymerních nanovláken. U nanovláken PA6 nebyly prakticky zaznamenány významné strukturní změny a v případě PVDF došlo pravděpodobně k očištění vláken od nečistot způsobených rozpouštěním polymeru v rozpouštědle. Do obou polymerů byl procesem modifikace inkorporován kyslík, který snížil povrchové napětí obou polymerů. Zejména v případě PVDF, který je silně hydrofobním materiálem, bylo docíleno absolutní smáčivosti, a to již po 10 minutách expozice nanovláken v plazmatu. I po plazmatické modifikaci bylo zaznamenáno snížení elektrického plošného odporu a zvýšení elektrické vodivosti, které by taktéž mohlo získat uplatnění zejména v biosenzorice.

Abstract:

The thesis focuses on the modification of polymer nanotextiles PA6 and PVDF created by electrospinning. Modification of polymer nanofibers was performed by irradiation with H+ ion beams with energy 1 MeV and C3+ ion beams with energy 5 MeV. Both with ion irradiation (1,8; 3,7; 5,6) × 1014 cm-2 on accelerator Tandetron 4130 MC. The effects of ion implantation on polymer nanofibers were compared with the results of modification by Ar ions in low-pressure plasma. Plasma modification of polymeric nanofibers was performed at low Ar gas pressure in a FlexiLab apparatus (HVM Plasma, Czech Republic). The plasma was excited by direct current (DC plasma). After the ion implantation, a strong carbonization occurred in both polymers, accompanied by cleavage of the polymer side chains. This resulted in strong dehydrogenation in both polymers, decrease in N concentration in PA6 and defluorination in PVDF. The most effective modification seems to be the implantation by H+ ions with the lowest ion fluence, because there are not evidence strong chemical and structural changes and the nanofibers exhibited the electrical conductivity increase and higher surface tension in this case. These results are promising for the possible use of the nanofibers in the field of sensor or electronic application. During the plasma modification, the surface of the polymer nanofibers was particularly affected. There were not observed structural changes in PA6 nanofibers. In the case of PVDF, the fibers were probably cleaned from impurities caused by dissolving of the polymer matrix in solvent. Oxygen was incorporated into both polymers through the modification process, which reduced the surface tension of both polymers. Especially in the case of PVDF nanofibers, which are a strongly hydrophobic material, absolute wettability was achieved after only 10 minutes of exposure to plasma. Even after plasma modification, a decrease of electrical resistance and an increase in conductivity were observed, which could also be used especially in biosensors.

Keywords

Polymer, nanovlákna, PVDF, PA6, ionty, modifikace, elektrostatické zvláknění, plazma, implantace, senzory

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 12. 2021

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Anna Macková, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Science

Master programme / field:
Nanotechnology / Applied Nanotechnology