Heterogeneous Structural Organization of Polystyrene Fibers Prepared by Electrospinning

Abstract

L'électrofilage est une technique utilisée pour la préparation de fibres avec des diamètres allant de quelques micromètres jusqu'à des centaines de nanomètres à partir d'une solution polymère enchevêtrée dans un solvant volatil. Les fibres électrofilées sont formées sous l'influence de grandes forces d'étirement, qui contribuent à une évaporation extrêmement rapide du solvant, une orientation moléculaire élevée et une structure moléculaire hors d’équilibre. Il a été démontré que ces matériaux présentent des propriétés distinctes par rapport aux matériaux massiques. Dans ce travail, le comportement thermique des fibres polystyrène (PS) électrofilées à partir de différents solvants a été étudié à l'aide de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) modulée en température. Une analyse détaillée du système PS/CHCl3 ainsi que l'utilisation de trois masses moléculaires et de différentes concentrations a révélé la présence de deux phases dans les fibres de PS avec une phase secondaire moins dense que la phase normale. Ces résultats ont été corrélés au modèle précédemment proposé de l'organisation de la chaîne « cœur-couronne » avec la couronne mince partiellement désenchevêtrée et un cœur enchevêtré en masse. Des mesures supplémentaires de spectroscopie par une technique qui combine la spectroscopie infrarouge avec le microscope à force atomique (AFM-IR) à l’échelle de fibre unique ont démontré que les bandes IR associées à un désenchevêtrement partiel dans des chaînes sont situées essentiellement au bord de la fibre. Différents solvants, le tétrahydrofurane (THF), la méthyléthylcétone (MEK) et le diméthylformamide (DMF) ayant des points d'ébullition différents ont été utilisés pour électrofiler les fibres de PS et ont généré un comportement à deux phases pour toutes les masses moléculaires et concentrations. La morphologie des fibres PS électrofilées provenant de différents solvants a également été étudiée. De plus, le recuit thermique des fibres de PS dans de multiples conditions a été effectué qui a permis de mieux comprendre le comportement thermique inhabituel et une organisation en deux phases des fibres PS. Enfin, ces résultats ont été corrélés avec le modèle « cœur-couronne » pour l'organisation des chaînes au sein des fibres et les hypothèses de ce modèle ont été révisées.

Electrospinning is a common technique used for preparing fibers with diameters ranging from a few micrometers down to hundreds of nanometers from an entangled polymeric solution in a volatile solvent. Electrospun fibers are formed under the influence of large stretching forces, therefore contributing to extremely fast solvent evaporation, high molecular orientation and out-of-equilibrium structure. These materials have been shown to exhibit distinct properties when compared to bulk materials. In this work, the thermal behavior of polystyrene (PS) fibers electrospun from different solvents as well as using three molecular weights and different concentrations was studied using temperature modulated differential scanning calorimetry (DSC). A detailed analysis of the PS/CHCl3 system revealed the presence of two phases within PS fibers with a secondary phase being less dense than the normal phase. The observations were correlated to the previously proposed model of core-shell chain organization with a partially disentangled thin shell and a bulk entangled core. Additional spectroscopic measurements by atomic force microscopy infrared spectroscopy (AFM-IR) at the single fiber scale demonstrated that IR bands associated with partial disentanglement in chains are located mainly at the edge of the fiber. Different solvents, tetrahydrofuran (THF), methyl ethyl ketone (MEK) and dimethylformamide (DMF) having different boiling points were used to electrospin PS fibers that featured two-phase behavior at all molecular weights and concentrations. The morphology of PS fibers electrospun from different solvents was also studied. Moreover, the thermal annealing of PS fibers under multiple conditions was performed that shed light on the unusual thermal behavior and a better understanding of the two-phase organization of the PS fibers. Finally, these results were correlated with the core-shell model for the chain organization within fibers and the hypotheses of this model were revised.