Project

Elektrospinnen van flexibele en gefuctionaliseerde nanovezelmembranen met behulp van sol-gel technologie

Looptijd
01-01-2013 → 31-12-2016
Financiering
Gewestelijke en gemeenschapsmiddelen: IWT/VLAIO
Mandaathouder
Onderzoeksdisciplines
  • Engineering and technology
    • Other mechanical and manufacturing engineering
    • Other materials engineering
Trefwoorden
gefunctionaliseerde nanovezelmembranen sol-gel technologie silicanovezels
 
Projectomschrijving

Traditionele keramische materialen, gebaseerd op klei, worden al meer dan 25 000 jaar gebruikt. Typische eigenschappen geassocieerd met keramische materialen zijn brosheid, een goed druksterkte en een uitstekende stabiliteit in extreme chemische en thermische omstandigheden. Keramische materialen kunnen geproduceerd worden via sol-geltechnologie. Het sol-gelproces is een lage temperatuursmethode die toelaat om keramische materialen te maken met een uitstekende controle van de zuiverheid en samenstelling van het product. De ontwikkeling van geavanceerde keramische materialen nam significant toe gedurende de laatste decennia. Recenter breidde ook de interesse in nanotechnologie sterk uit. Nanovezels, die typisch een diameter hebben kleiner dan 500 nm, zijn gekend omwille van hun uitzonderlijke eigenschappen zoals een hoge specifieke oppervlakte, een hoge porositeit en kleine poriengrootte. Keramische nanovezels kunnen geproduceerd worden door het elektrospinproces te combineren met sol-geltechnologie. De combinatie van de unieke eigenschappen van nanovezels met de veelzijdigheid van het sol-gelproces laat toe om keramische nanovezels te produceren die bruikbaar zijn in uiteenlopende geavanceerde toepassingen. Binnen dit doctoraat wordt de productie van nieuwe silicananovezels verkend. Deze silicananovezels worden geproduceerd via een techniek die sterk afwijkt van wat typisch gebruikt wordt in de literatuur. In tegenstelling tot de gebruikelijke productietechniek van keramische nanovezels wordt er in dit werk geen organisch polymeer toegevoegd aan de elektrospinoplossing. Hierdoor kan de hittebehandeling, die normaal gebruikt wordt om het polymeer te verwijderen na het elektrospinnen, vermeden worden. Deze hittebehandeling geeft doorgaans aanleiding tot fragiele membranen, die de neiging hebben om in kleine deeltjes uit elkaar te vallen. Door deze hittebehandeling te vermijden wordt de schade aan zowel de nanovezelmembranen zelf als de schade aan toegevoegde functionaliteiten beperkt. Het sol-gelproces en het elektrospinproces laten beiden toe om op een eenvoudige manier extra functionaliteiten in te bouwen in de silicananovezels, waardoor deze membranen voor uiteenlopende toepassingen gebruikt kunnen worden. In dit doctoraat wordt de focus gelegd op twee toepassingsdomeinen, namelijk waterbehandeling en colorimetrische sensoren. Hoofdstuk 1 bevat een inleiding tot sol-geltechnologie, het elektrospinproces en de beoogde toepassingen. Hierna worden de algemene materialen en methodes beschreven in hoofdstuk 2. Wanneer het elektrospinnen van silicananovezels wordt uitgevoerd zonder het toevoegen van een organisch polymeer aan de elektrospinoplossing, is het essentieel om de reologie van de oplossing te controleren om een stabiel en opschaalbaar elektrospinproces te bekomen. Een van de eigenschappen van een elektrospinoplossing die de verspinbaarheid sterk beinvloedt is de viscositeit. In hoofdstuk 3 wordt daarom het viscositeitsbereik onderzocht dat mogelijkheid biedt tot stabiel en reproduceerbaar elektrospinnen. Tetraethoxysilaan (TEOS) werd geselecteerd als sol-gelprecursor omwille van het veelvuldig gebruik en de reeds bestaande doorgedreven kennis van de precursor en zijn eigenschappen. Daarnaast wordt ook het belang van de manier waarop de viscositeit bereikt wordt besproken. Uiteindelijk wordt de weerstand van deze membranen tegen hoge temperaturen (1000Ѓ‹C) aangetoond en worden de interessante veranderingen van de hydrofiele/hydrofobe eigenschappen toegelicht. Niet enkel de viscositeit van de oplossing heeft een belangrijke invloed op het elektrospinproces, maar ook andere oplossingsparameters zoals de colloidale deeltjesgrootte, de vernettingsgraad en de ethanolconcentratie bepalen het elektrospinproces en de hieruit geproduceerde nanovezels. Daarom wordt in hoofdstuk 4 bijkomende aandacht gegeven aan het karakteriseren van deze parameters via verschillende technieken. Bovendien wordt ook de productie van de silicananovezels succesvol opgeschaald. In de hierop volgende hoofdstukken wordt het toepassen van gefunctionaliseerde silicananovezelmembranen voor waterbehandeling en kleurveranderende sensoren uitgebreid behandeld. De unieke eigenschappen van nanovezelmembranen zorgen ervoor dat ze geschikt zijn voor verschillende toepassingen binnen filtratie. Bovendien zijn deze membranen een uitstekende poreuze drager voor het immobiliseren van titaniumdioxide (TiO2) nanodeeltjes. Deze TiO2 nanodeeltjes kunnen vele organische (micro)polluenten afbreken. In hoofdstuk 5 worden zowel polyamide 6 als silicananovezels gefunctionaliseerd met TiO2 nanodeeltjes. Twee functionalisatie technieken worden vergeleken, namelijk inline functionalisatie en postfunctionalisatie via dipcoaten. De fotokatalytische activiteit van deze membranen wordt vergeleken en aangetoond door het ontkleuren van methyleen blauw. De hoge meerwaarde van deze met TiO2 gefunctionaliseerde membranen voor het verwijderen van micropolluenten wordt bevestigd door volledige verwijdering van het herbicide isoproturon. De hoge specifieke oppervlakte en de hoge porositeit van nanovezelmembranen kunnen de gevoeligheid en snelheid van sensoren verbeteren. Kleurveranderende polymeernanovezels hebben hun grote meerwaarde reeds aangetoond. Kleurveranderende keramische nanovezels kunnen door hun chemische stabiliteit een nog bredere toepassingsgebied bereiken. In zowel hoofdstuk 6 als hoofdstuk 7 wordt de nadruk gelegd op het produceren van grote, flexibele en herbruikbare colorimetrische sensoren. Opnieuw worden verschillende functionalisatietechnieken vergeleken, zowel fysisch als covalent immobiliseren van de kleurstof komen aan bod. Het covalent binden van een kleurstof in de nanovezelmatrix zorgt ervoor dat migratie van de kleurstof naar de omgeving, wat vaak een probleem is als de kleurstof enkel fysisch gevangen zit in de matrix, voorkomen wordt. Daarom worden de kleurstoffen in deze hoofdstukken covalent gebonden aan een sol-gelprecursor. In hoofdstuk 6 wordt de gevoeligheid voor pHveranderingen, HCl en NH3 dampen en biogene amines van kleurvarierende nanovezels getest. Het feit dat enkel de membranen met een covalent gebonden kleurstof bruikbaar zijn in zure waterige oplossing, toont het belang van de covalente binding aan. Alle nanovezelmembranen veranderen wel onmiddellijk van kleur na blootstelling aan HCl en NH3 dampen. De gevoeligheid van deze membranen voor biogene amines toont bovendien hun veelzijdigheid aan. In hoofdstuk 7 worden solvatochrome nanovezelsensoren bestudeerd. In dit hoofdstuk worden drie technieken toegepast voor het functionaliseren met de kleurstof, namelijk fysisch inmengen en covalent inmengen van de kleurstof in de nanovezels, en covalent immobiliseren van de kleurstof op de membranen via een coating. De nanovezelmembranen waarbij de kleurstof covalent werd ingemengd, zijn echter niet stabiel in de gebruikte solventen waardoor de kleurstof migreert naar de omgeving. Het coaten van zuivere silicananovezels voorkomt dit probleem en verbreedt de toepasbaarheid naar andere substraten, maar verder onderzoek is nodig. Ten slotte worden in hoofdstuk 8 de belangrijkste conclusies van dit doctoraat en enkele bedenkingen met betrekking tot toekomstig onderzoek samengevat. In dit werk wordt een diepgaande studie uitgevoerd over het elektrospinnen van TEOS sols en de invloed van verschillende parameters op dit proces. De reproduceerbaarheid en opschaalbaarheid van het productieproces van silicananovezels wordt aangetoond. Het toepassen van deze kennis voor de productie van membranen die bruikbaar zijn in waterbehandeling en als colorimetrische sensoren tonen het grote potentieel aan van deze membranen voor geavanceerde toepassingen.