Surface response analysis of electrospun nanofiber beads

Abstract

The research presented in this document is focused on using the surface response method to analyze the nanofiber beads Polyethylene Oxide (PEO) synthesized by electrospinning. The process was characterized in detail by using experimental design to clearly define the parameters and variables that affect the nanofibers diameter. The objective was to obtain maximum control over the variables and parameters that govern the process and compare the different structural configurations while looking at the changes in the morphology and structure of the beads and nanofibers. We developed a modified surface response methodology that allowed making generalizations of numerical models of complex systems at the nanoscale. This method is flexible and can be applied to a wide range of nanoscale domain problems. Two mathematical expressions were developed

Df= 0.21 + 0.041V + 0.023d + 0.073Q + 0.004V ·d + 0.009V · Q - 0.008d · Q - 0.04VdQ DB= 0.66 - 0.184V - 0.017d - 0.017Q - 0.043V ·d + 0.032V · Q - 0.036d · Q + 0.041VdQ

These two models described the diameter of the fibers (Df) and beads (DB) produced in the electrospinning process when varying the values for the voltage (V), point plate distance (d) and volumetric flux (Q) variables. Using this system we can translate the modeling factors and their relationship with performance into meaningful implications for decision making and operational procedure for the electrospinning process. By comparing our analytic model with the experimental results, we can affirm that our model has an approximation to the experimental values; the standard deviation was of 0.016. The results obtained from this research could serve as the groundwork for the development of a nanofiber manipulation technique.

La investigación está dirigida al análisis de los “beads” formados en las nanofibras por el método de superficie de respuesta y fabricadas con el proceso conocido como electrospinning. Usando el diseño experimental, el proceso será caracterizado en detalle con el propósito de definir con claridad los parámetros y las variables que afectan el diámetro de las nanofibras. El propósito para obtener un máximo control sobre las variables y los parámetros que gobiernan este proceso, comparar diferentes configuraciones estructurales mientras observamos los cambios en la morfología y la estructura de los “beads” y las nanofibras. Desarrollamos una superficie de respuesta modificada que nos permite hacer una generalización de modelo numérico de sistemas complejos en la escala nanométrica. El método es flexible y puede ser aplicado en un rango ancho de problemas en la escala nanométrica. Se estimaron dos expresiones matemáticas

Df= 0.21 + 0.041V + 0.023d + 0.073Q + 0.004V ·d + 0.009V · Q - 0.008d · Q - 0.04VdQ DB= 0.66 - 0.184V - 0.017d - 0.017Q - 0.043V ·d + 0.032V · Q - 0.036d · Q + 0.041VdQ

Estos dos modelos describen el diámetro de las fibras y de los beads producidos en el proceso de electrospinning, cuando el voltaje (V), la distancia punto placa (d) y el flujo volumétrico (Q) varían. Con este sistema podemos permutar los factores modelados y su relación con el desenvolvimiento a implicaciones significativas en la toma de decisiones y procesos operacionales del proceso de electrospinning. Comparando los resultados experimentales con los de nuestro modelo podemos afirmar que el modelo obtenido tiene una aproximación a los resultados experimentales, con una desviación estándar de 0.016. Los resultados obtenidos en esta investigación nos pueden servir como trabajo base para el desarrollo de técnicas de nanomanipulación de nanofibras.