Effect of Solution Concentration During Electrospinning Process on Morphological Features of Scalable Self-standing Polyvinyl Alcohol Nanofibrous Membranes
คำสำคัญ:
Polyvinyl alcohol, Nanofibers, Electrospinning, Solution concentration parameters, Morphologyบทคัดย่อ
Nanofibers and nanofibrous membranes composed of polymers, ceramics, carbons, and their hybrid materials, fabricated through electrospinning process, have garnered significant research interest due to their potential applications in diverse fields, including medical devices, environmental protection and remediation, and energy systems. Polyvinyl alcohol (PVA) has been extensively used as a functional component in nanofiber composites, a polymer binder for the fabrication of architectured carbon and ceramic nanofibers, and a scaffolding material for the preparation of freestanding ceramic nanofibrous membranes, via electrospinning. Consequently, investigating the effects of working parameters during electrospinning on the properties of the resulting products is essential. In this study, the influence of solution concentration on the morphological features and physical dimensions of self-standing electrospun PVA nanofibrous products collected on a rotational cylindrical drum, was examined using scanning electron microscopy (SEM), and the results were analyzed and discussed. The findings showed that increasing PVA solution concentration (6–14% w/v) led to larger fiber diameters, reduced membrane width, and increased membrane thickness. Based on the power law of polymer solutions, the diameter of the electrospun fibers increased as the PVA solution concentration was raised, following the relationship . This research enhances the predictive capability regarding the morphology of the resulting PVA nanofiber products—particularly the fiber diameters—by identifying solution concentration as a key parameter governing the electrospinning process. This deeper understanding of how solution concentration affects the morphology of PVA-based nanofibers is expected to facilitate the efficient fabrication of nanofibrous mats utilizing PVA as a binder and/or structural component
เอกสารอ้างอิง
Klein E. Affinity membranes: a 10-year review. J. Membr. Sci. 2000;179(1):1-27.
Wang X, Kim Y-G, Drew C, Ku B-C, Kumar J, Samuelson LA. Electrostatic assembly of conjugated polymer thin layers on electrospun nanofibrous membranes for biosensors. Nano Lett. 2004; 4(2) :331-4.
Zeng J, Xu X, Chen X, Liang Q, Bian X, Yang L, et al. Biodegradable electrospun fibers for drug delivery. J. Control. Release. 2003;92(3):227-31.
Vongsetskul T, Chantarodsakun T, Wongsomboon P, Rangkupan R, Tangboriboonrat P. Effect of solvent and processing parameters on electrospun polyvinylpyrrolidone ultra-fine fibers. Chiang Mai J. Sci. 2015;42(2):436-42.
Dankeaw A, Gualandris F, Silva RH, Norrman K, Gudik-Sørensen M, Hansen KK, et al. Amorphous saturated cerium–tungsten–titanium oxide nanofiber catalysts for NOx selective catalytic reaction. New J. Chem. 2018;42(12):9501-9.
Hallensleben ML. Polyvinyl Compounds, Others. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH; 2000. p. 605-21.
DeMerlis CC, Schoneker DR. Review of the oral toxicity of polyvinyl alcohol (PVA). Food Chem. Toxicol. 2003;41(3):319-26.
Supaphol P, Chuangchote S. On the electrospinning of poly(vinyl alcohol) nanofiber mats: A revisit. J. Appl. Polym. Sci. 2008;108(2):969-78.
Baker MI, Walsh SP, Schwartz Z, Boyan BD. A review of polyvinyl alcohol and its uses in cartilage and orthopedic applications. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2012;100B(5):1451-7.
Abd El-aziz AM, El-Maghraby A, Taha NA. Comparison between polyvinyl alcohol (PVA) nanofiber and polyvinyl alcohol (PVA) nanofiber/hydroxyapatite (HA) for removal of Zn2+ ions from wastewater. Arab. J. Chem. 2017;10(8):1052-60.
Patra N, Salerno M, Cernik M. 22 - Electrospun polyvinyl alcohol/pectin composite nanofibers. In: Afshari M, editor. Electrospun Nanofibers. Woodhead Publishing; 2017. p. 599-608.
Işik C, Arabaci G, Ispirli Doğaç Y, Deveci İ, Teke M. Synthesis and characterization of electrospun PVA/Zn2+ metal composite nanofibers for lipase immobilization with effective thermal, pH stabilities and reusability. Mater. Sci. Eng. C. 2019;99:1226-35.
Nagamine S, Matsumoto T, Hikima Y, Ohshima M. Fabrication of porous carbon nanofibers by phosphate-assisted carbonization of electrospun poly(vinyl alcohol) nanofibers. Mater. Res. Bull. 2016;79:8-13.
Altin Y, Celik Bedeloglu A. Polyacrylonitrile /polyvinyl alcohol-based porous carbon nanofiber electrodes for supercapacitor applications. Int. J. Energy Res. 2021;45(11):16497-510.
Gea S, Attaurrazaq B, Situmorang SA, Piliang AFR, Hendrana S, Goutianos S. Carbon-nano fibers yield improvement with iodinated electrospun PVA/silver nanoparticle as precursor via one-step synthesis at low temperature. Polymers. 2022;14(3):446.
Milanović P, Dimitrijević M, Jančić Heinemann R, Rogan J, Stojanović DB, Kojović A, et al. Preparation of low cost alumina nanofibers via electrospinning of aluminium chloride hydroxide/poly (vinyl alcohol) solution. Ceram. Int. 2013;39(2):2131-4.
Çinar E, Koçyiğit S, Aytimur A, Uslu İ, Akdemir A. Synthesis, characterization, and thermoelectric properties of electrospun boron-doped barium-stabilized bismuth-cobalt oxide nanoceramics. Metall. Mater. Trans. A. 2014;45(9):3929-37.
Dankeaw A, Gualandris F, Silva RH, Scipioni R, Hansen KK, Ksapabutr B, et al. Highly porous Ce–W–TiO2 free-standing electrospun catalytic membranes for efficient de-NOx via ammonia selective catalytic reduction. Environ. Sci.: Nano. 2019;6(1):94-104.
Dankeaw A, Sotho K. Influence of process parameters to fabricate free-standing carbon nanofibrous papers via electrospinning technique. Pure and Applied Chemistry International Conference 2025 (PACCON 2025): Conference proceedings, 2025 February 13–15, Khao Yai Convention Center (KYCC), Nakhon Ratchasima, Thailand. p. 514-20.
Mohammad Ali Zadeh M, Keyanpour-Rad M, Ebadzadeh T. Effect of viscosity of polyvinyl alcohol solution on morphology of the electrospun mullite nanofibres. Ceram. Int. 2014;40(4):5461-6.
Zhang C, Yuan X, Wu L, Han Y, Sheng J. Study on morphology of electrospun poly(vinyl alcohol) mats. Eur. Polym. J. 2005;41(3):423-32.
Koski A, Yim K, Shivkumar S. Effect of molecular weight on fibrous PVA produced by electrospinning. Mater. Lett. 2004;58(3):493-7.
Keun Son W, Ho Youk J, Seung Lee T, Park WH. Effect of pH on electrospinning of poly(vinyl alcohol). Mater. Lett. 2005;59(12):1571-5.
Yao L, Haas TW, Guiseppi-Elie A, Bowlin GL, Simpson DG, Wnek GE. Electrospinning and stabilization of fully hydrolyzed poly(vinyl alcohol) fibers. Chem. Mater. 2003;15(9):1860-4.
Chuangchote S, Supaphol P. Fabrication of aligned poly(vinyl alcohol) nanofibers by electrospinning. J. Nanosci. Nanotechnol. 2006;6(1):125-9.
Munawar MA, Nilsson F, Schubert DW. Tunable diameter of electrospun fibers using empirical scaling laws of electrospinning parameters. Mater. Chem. Phys. 2025;329:130009.
Wannatong L, Sirivat A, Supaphol P. Effects of solvents on electrospun polymeric fibers: preliminary study on polystyrene. Polym. Int. 2004;53(11):1851-9.
Chuangchote S, Sirivat A, Supaphol P. Electrospinning of styrene-isoprene copolymeric thermoplastic elastomers. Polym. J. 2006;38(9):961-9.
Gañán-Calvo AM, Dávila J, Barrero A. Current and droplet size in the electrospraying of liquids. Scaling laws. J. Aerosol Sci. 1997;28(2):249-75.
Pantano C, Gañán-Calvo AM, Barrero A. Zeroth-order, electrohydrostatic solution for electrospraying in cone-jet mode. J. Aerosol Sci. 1994;25(6):1065-77.
Lee KH, Kim HY, Bang HJ, Jung YH, Lee SG. The change of bead morphology formed on electrospun polystyrene fibers. Polymer. 2003;44(14):4029-34.
Lee JS, Choi KH, Ghim HD, Kim SS, Chun DH, Kim HY, et al. Role of molecular weight of atactic poly(vinyl alcohol) (PVA) in the structure and properties of PVA nanofabric prepared by electrospinning. J. Appl. Polym. Sci. 2004;93(4):1638-46.
Schubert DW. Revealing novel power laws and quantization in electrospinning considering jet splitting—Toward predicting fiber diameter and its distribution. Macromol. Theory Simul. 2019;28(4):1900006.
Shenoy SL, Bates WD, Frisch HL, Wnek GE. Role of chain entanglements on fiber formation during electrospinning of polymer solutions: good solvent, non-specific polymer–polymer interaction limit. Polymer. 2005;46(10):3372-84.
Ewaldz E, Randrup J, Brettmann B. Solvent effects on the elasticity of electrospinnable polymer solutions. ACS Polymers Au. 2022;2(2):108-17.
Ni Q, Ye W, Du M, Shan G, Song Y, Zheng Q. Effect of hydrogen bonding on dynamic rheological behavior of PVA aqueous solution. Gels. 2022;8(8):518.
McKee MG, Wilkes GL, Colby RH, Long TE. Correlations of solution rheology with electrospun fiber formation of linear and branched polyesters. Macromolecules. 2004;37(5):1760-7.
Bedi JS, Lester DW, Fang YX, Turner JFC, Zhou J, Alfadul SM, et al. Electrospinning of poly(methyl methacrylate) nanofibers in a pump-free process. J. Polym. Eng. 2013;33(5):453-61.
Tao J, Shivkumar S. Molecular weight dependent structural regimes during the electrospinning of PVA. Mater. Lett. 2007;61(11):2325-8.
Liu C, Yu X, Li Y, Zhao X, Chen Q, Han Y. Flow-induced crystalline precursors in entangled Poly(vinyl alcohol) aqueous solutions. Polymer. 2021;229:123960.
Stepanyan R, Subbotin A, Cuperus L, Boonen P, Dorschu M, Oosterlinck F, et al. Fiber diameter control in electrospinning. Appl. Phys. Lett. 2014;105(17).
Schubert DW, Allen V, Dippel U. Revealing novel power laws and quantization in electrospinning considering jet splitting—Toward predicting fiber diameter and its distribution part II experimental. Adv. Eng. Mater. 2021;23(3):2001161.
Munawar MA, Schubert DW. Highly oriented electrospun conductive nanofibers of biodegradable polymers - Revealing the electrical percolation thresholds. ACS Appl. Polym. Mater. 2021;3(6):2889-901.
Mit-uppatham C, Nithitanakul M, Supaphol P. Ultrafine electrospun polyamide-6 fibers: Effect of solution conditions on morphology and average fiber diameter. Macromol. Chem. Phys. 2004;205(17):2327-38.
Supaphol P, Mit-Uppatham C, Nithitanakul M. Ultrafine electrospun polyamide-6 fibers: Effect of emitting electrode polarity on morphology and average fiber diameter. J. Polym. Sci. B Polym. Phys. 2005;43(24):3699-712.
ดาวน์โหลด
เผยแพร่แล้ว
รูปแบบการอ้างอิง
ฉบับ
ประเภทบทความ
สัญญาอนุญาต
ลิขสิทธิ์ (c) 2025 วารสารวิจัย มทร. กรุงเทพ
อนุญาตภายใต้เงื่อนไข Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
กองบรรณาธิการวารสารวิชาการ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลกรุงเทพ มีความยินดีที่จะรับบทความจากอาจารย์ นักวิจัย นักวิชาการทั้งภายในและภายนอกมหาวิทยาลัย ในสาขาวิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ได้แก่ สาขาวิชาวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และสาขาอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง รวมถึงสาขาต่างๆ ที่มีการบูรณาการข้ามศาสตร์ที่เกี่ยวข้องวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ที่เขียนเป็นภาษาไทยหรือภาษาอังกฤษ ซึ่งผลงานวิชาการที่ส่งมาขอตีพิมพ์ต้องไม่เคยเผยแพร่ในสิ่งพิมพ์อื่นใดมาก่อน และต้องไม่อยู่ในระหว่างการพิจารณาของวารสารอื่น
การละเมิดลิขสิทธิ์ถือเป็นความรับผิดชอบของผู้ส่งบทความโดยตรง บทความที่ได้รับการตีพิมพ์ต้องผ่านการพิจารณากลั่นกรองคุณภาพจากผู้ทรงคุณวุฒิและได้รับความเห็นชอบจากกองบรรณาธิการ
ข้อความที่ปรากฏอยู่ในแต่ละบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารวิชาการเล่มนี้ เป็นความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียนแต่ละท่าน ไม่เกี่ยวข้องกับมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลกรุงเทพแต่อย่างใด ความรับผิดชอบด้านเนื้อหาและการตรวจร่างบทความแต่ละบทความเป็นของผู้เขียนแต่ละท่าน หากมีความผิดพลาดใดๆ ผู้เขียนแต่ละท่านจะต้องรับผิดชอบบทความของตนเองแต่ผู้เดียว
กองบรรณาธิการขอสงวนสิทธิ์มิให้นำเนื้อหา หรือข้อคิดเห็นใดๆ ของบทความในวารสารวิชาการ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลกรุงเทพ ไปเผยแพร่ก่อนได้รับอนุญาตจากกองบรรณาธิการ อย่างเป็นลายลักษณ์อักษร ผลงานที่ได้รับการตีพิมพ์ถือเป็นลิขสิทธิ์ของวารสาร
