Evaporazione del solvente

Durante il transito del getto verso il collettore, il solvente evapora. Quello che rimane sono nanofibre polimeriche. Idealmente non dovrebbe rimanere traccia di solvente nel momento i

cui il getto tocca il collettore, altrimenti le nanofibre polimeriche appena formate vengono nuovamente disciolte nel solvente residuo. La velocità di evaporazione del solvente dipende da una serie di fattori, fra i quali per esempio la distanza dal collettore e la tensione di vapore del solvente. Questa fase è molto importate ai fini del valore dei diametri delle fibre: infatti la dimensione delle nanofibre ottenute dipende anche dalla velocità di evaporazione del solvente e dal tempo impiegato da esso per evaporare.

3.2.3 Parametri

La tecnica dell’elettrofilatura è di per sé semplice: semplici sono infatti i principi su cui si basa e la strumentazione necessaria per realizzarla. Tuttavia, molto complesso è il sistema di variabili e fattori che vi prendono parte. I parametri in gioco sono diversi e si possono classificare in tre gruppi distinti, a seconda della loro origine e della loro natura: parametri della soluzione polimerica, condizioni di processo e condizioni ambientali. Nei tre paragrafi che seguono saranno esaminati nel dettaglio i gruppi appena elencati ⁽⁴⁶⁾.

3.2.3.1 Parametri della soluzione polimerica

I parametri legati alle proprietà della soluzione polimerica sono quelli che hanno un peso maggiore nel processo di elettrospinning. Il peso molecolare del polimero e la natura del solvente, la viscosità, la tensione superficiale e la conducibilità della soluzione, sono determinanti per la riuscita del processo e per la produzione di fibre con le caratteristiche desiderate. Di seguito si illustrano in breve i singoli parametri di soluzione e si dà spiegazione del perché essi risultino così importanti nell’ambito dell’elettrofilatura.

1. Peso molecolare e viscosità

La viscosità di una soluzione polimerica è strettamente correlata al peso molecolare del polimero da disciogliere; maggiore è il peso molecolare del polimero, maggiore sarà la viscosità della soluzione. Una delle condizioni necessarie per la formazione della fibra è che la soluzione abbia una viscosità sufficiente. Solo così infatti si evita la formazione di gocce; sono gli entanglements che si instaurano tra le catene polimeriche a mantenere coeso il getto e a evitare che esso si rompa dando origine a gocce di soluzione. Il numero di entanglements è strettamente correlato alla lunghezza delle catene polimeriche, che è direttamente proporzionale al peso molecolare del polimero in soluzione. L’impiego di un polimero ad alto peso molecolare non è l’unico modo per ottenere una soluzione sufficientemente viscosa: un

altro parametro che può giocare a favore della viscosità è la concentrazione del polimero in soluzione. Analogamente, un incremento della concentrazione significa un maggior numero di catene polimeriche e quindi un maggior numero di entanglements. Una soluzione non sufficientemente viscosa può portare sia alla rottura del getto e alla formazione di gocce, sia alla formazione di fibre cosparse di perline (si hanno fibre con piccole gocce disposte lungo di esse); in quest’ultimo caso, la viscosità della soluzione non è tale da vincere la tensione superficiale, e si ha come risultato una struttura di questo tipo (detta a collana).

2. Tensione superficiale

Perché il processo di elettrospinning possa iniziare, è necessario che la soluzione caricata per effetto del campo elettrico sia in grado di vincere la sua tensione superficiale. Tuttavia, anche una volta formato il getto la tensione superficiale può svolgere un ruolo negativo. Si ricordi innanzitutto che la tensione superficiale ha come effetto la diminuzione dell’area superficiale per unità di massa. Nel caso di una soluzione poco viscosa, le interazioni tra le molecole di solvente e le catene polimeriche sono scarse; pertanto ci sono una grande quantità di molecole di solvente libere, che tendono ad agglomerarsi tra loro per effetto della tensione superficiale. Questo non succede nel caso di soluzioni più viscose, dove le interazioni tra solvente e polimero sono più significative. Quando la soluzione viene stirata sotto l’effetto del campo elettrico, le molecole di solvente vengono distribuite sulle catene polimeriche (a loro volta interagenti attraverso gli entanglements): in questo modo si riduce la tendenza delle molecole di solvente a interagire tra loro per formare agglomerati, effetto della tensione superficiale. Partire da soluzioni caratterizzate da tensione superficiale bassa, favorisce la formazione di fibre lisce. Per abbassare la tensione superficiale si può intervenire scegliendo solventi a bassa tensione superficiale, oppure introducendo dei tensioattivi in soluzione.

3. Conducibilità

Come detto precedentemente, l’elettrospinning prevede lo stiramento della soluzione per effetto della repulsione delle cariche sulla sua superficie. Di conseguenza, a una più elevata conducibilità corrisponde un maggior numero di cariche nel getto: l’effetto di stretching sarà quindi più rilevante, si avrà una riduzione del diametro delle fibre, nonché una minore tendenza a formare perline. Per aumentare la conducibilità è sufficiente aggiungere alla soluzione un piccolo quantitativo di sale. Il sale deve essere scelto tenendo presente che la mobilità degli ioni dipende dalla loro dimensione (ioni più piccoli hanno una mobilità maggiore); introdurre in soluzione ioni più piccoli significa quindi poter contare su una

maggiore mobilità degli stessi e ottenere un maggiore stiramento del getto. Un aumento eccessivo della conducibilità tuttavia causa l’instabilità del getto. La conducibilità quindi favorisce la formazione di fibre lisce e sottili, ma solo entro un certo range, oltre il quale si sfocia nell’instabilità e nella rottura del getto. Il range di conducibilità accettato dipende da sistema a sistema (sistema polimero–solvente).

4. Natura del solvente

La natura del solvente è un fattore rilevante per l’elettrospinning. In particolare, la costante dielettrica incide direttamente sulla morfologia delle fibre. L’impiego di solventi con elevata costante comporta una maggiore area di deposizione, a dimostrazione del fatto che viene amplificata la zona di instabilità; si ottengono in questo modo fibre lisce e di diametro ridotto (infatti, aumenta il percorso del getto dall’ago al collettore, e il getto viene quindi stirato maggiormente). Tuttavia la scelta del solvente non va fatta esclusivamente sulla base della sua costante dielettrica: non bisogna penalizzare le interazioni che si possono creare con il polimero, con conseguenze negative sulla solubilità. Nella scelta del solvente va perciò privilegiata la solubilità del polimero.