Production and Characterization of PVDF/MWCNT Core-Shell Hybrid Nanofiber Yarns via Nozzle-less Disc Electrospinning Method

Document Type : Original Article

Authors
1 University of Guilan
2 Faculty of Engineering, University of Guilan, Guilan, Iran.
Abstract
In this study, the fabrication and characterization of hybrid core-shell nanofiber yarn using nozzle-less disk electrospinning method, were investigated. To identify the most suitable core structure, four types of yarns -including cotton, silk, polyester-coated Lycra, and textured polyester-were employed as the core, while the shell layer consisted of polyvinylidene fluoride (PVDF) containing 0.5, 1, and 1.5 wt% multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The nanofiber yarn samples were characterized using SEM, FESEM, FTIR, and axial tensile test. Microscopy results indicated that increasing the electrospinning time from 1 to 3 minutes enlarged the yarn diameter from 18.78 to 502.45 µm, primarily due to multilayer deposition of nanofibers on the core surface. Morphological observations confirmed that increasing the MWCNT content from 0.5% to 1.5%, leads to increase in the mean nanofiber diameter from 0.152 μm to 0.210 μm; this phenomenon is due to simultaneous increases in electrical conductivity, solution viscosity, as well as nanotube aggregation at higher concentrations. Mechanical analyses showed that nanofiber coating improved the uniformity of tensile behavior, with this effect being more pronounced in textured polyester yarns because of their favorable surface structure. FTIR analysis verified the presence of the β-phase in all samples, and demonstrated that the β-phase content increases with improved dispersion of MWCNTs. Overall, the results indicate that the hybrid nanofiber yarns produced in this work—with stable structure, controlled morphology, and desirable mechanical response—are promising candidates for use in smart textiles and wearable sensing systems.
Keywords

Article Title Persian

تولید و مشخصه‌یابی نخ نانولیفی PVDF/MWCNT هیبریدی با ساختار هسته-پوسته با روش الکتروریسی بدون نازل دیسکی

Authors Persian

محدثه رمضانپور 1
مصطفی جمشیدی اوانکی 2
کامران محفوظی 1
Abstract Persian

در این پژوهش، تولید و مشخصه ‌یابی نخ نانولیفی هیبریدی با ساختار هسته - پوسته به روش الکتروریسی بدون نازل دیسکی مورد مطالعه قرار گرفت. به منظور تعیین بهترین نخ مغزی، چهار نوع نخ شامل نخ پنبه‌ای، ابریشمی، لایکرا با روکش پلی‌استری و پلی‌استر تکسچره ‌شده به عنوان هسته‌ استفاده گردید و لایه پوسته از پلی‌وینیلیدن فلوراید (PVDF) حاوی 0.5، 1 و 1.5 درصد وزنی نانولوله‌کربنی چندجداره (MWCNT) تهیه شد. مشخصه‌یابی نمونه‎ها توسط آزمون‌های SEM، FESEM،FTIR و آزمون کشش انجام گرفت. نتایج آزمون‎های میکروسکوپی نشان داد که افزایش زمان الکتروریسی از 1 به 3 دقیقه، موجب افزایش قطر نخ از 18.78 به 502.45 µm می‎شود که ناشی از تجمع چند لایه‌ای نانوالیاف بر سطح نخ مغزی است. همچنین مشاهدات ریخت‎شناسی نشان می‎دهد که افزایش درصد MWCNT از 0.5% به 1.5%، به افزایش میانگین قطر نانوالیاف از 0.152 به 0.210 μm منجر می‌شود؛ این پدیده ناشی از افزایش همزمان رسانایی الکتریکی و گران‌روی محلول و نیز تجمع نانولوله‌ها در غلظت‎های بالاتر است. بررسی‌های خواص مکانیکی نشان می‎دهد که پوشش‌دهی نانولیفی موجب یکنواختی رفتار کششی نخ می‌شود، و این اثر در نخ پلی‌استر تکسچره‌شده به‌دلیل ساختار سطحی مناسب، بارزتر است. آزمون FTIR، وجود فاز بتا (β) را در کلیه نمونه‌ها تأیید نموده و مشخص شد که درصد فاز β با پراکندگی MWCNT ارتباط مستقیم دارد. در مجموع، یافته‌ها نشان می‌دهد نخ‌های نانولیفی هیبریدی تولیدشده به‌دلیل ساختار پایدار، ریخت‎شناسی کنترل‌شده و رفتار مکانیکی مناسب، گزینه‌ای کارآمد برای کاربرد در منسوجات هوشمند و سامانه‌های حسگری قابل‌پوشیدن به‌شمار می‌آیند.

Keywords Persian

نخ نانولیفی
الکتروریسی بدون نازل
کامپوزیت PVDF/MWCNT
ساختار هسته/پوسته
مشخصه یابی SEM/FTIR
[1] Wan, X., Cong, H., Jiang, G., Lian, X., Liu, L. and He, H.
2023. A review on PVDF nanofibers in textiles for flexible
sensors. ACS Applied Materials & Interfaces, 15, 11244–
11258.
[2] Arrigo, R., & Malucelli, G. 2020. Rheological Behavior
of Polymer/Carbon Nanotube Composites: An Overview.
Materials, 13(12), 2771. https://doi.org/10.3390/ma13122771.
[3] Zhang, Q., Wang, R., Lan, C., Liu, Y., Chen, H. and Li, J.
2024. Hierarchically structured hollow PVDF nanofibers for
advanced tactile sensors. Chemical Engineering Journal, 498,
155661.
[4] Fan, W., Lei, R., Dou, H., Wu, Z., Lu, L., Wang, S., Liu,
X., Chen, W., RezaKazemi, M., Amin Abhavi., TM, Li, Y.,
Ge, S. 2024. Sweat permeable and ultrahigh strength 3D
PVDF piezoelectric nanoyarn fabric strain sensor. Nat
Commun. 25;15(1):3509. doi: 10.1038/s41467-024-47810-7.
PMID: 38664454; PMCID: PMC11045766.
[5] Ko, F., Gogotsi, Y., Ashraf, A., Naguib, N., Ye, H.,
Yang, G.L., Li, C., Willis, P. 2003. Electrospinning of
Continuous Carbon Nanotube‐Filled Nanofiber Yarns.
Advanced Materials. 15. 1161 - 1165.
10.1002/adma.200304955.
[6] Bazbouz, M. B., & Stylios, G. K. 2008. Novel
mechanism for spinning continuous twisted composite
nanofiber yarns. European Polymer Journal, 44(1), 1–12.
https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2007.07.023
[7] Dabirian, F., Hosseini, Y., & Ravandi, S. H. (2007).
Manipulation of the electric field of electrospinning system to
produce polyacrylonitrile nanofiber yarn. Journal of Textile
Institute, 98(3), 237–241.
https://doi.org/10.1080/00405000701392854
[8] Dabirian, F. and Hosseini, S. 2009. Novel method for
nanofibre yarn production using two differently charged
nozzles. Fibers and Textiles in Eastern Europe, 17(1), 45–48.
[9] Afifi, A. M., Nakano, S., Yamane, H., & Kimura, Y.
(2010). Electrospinning of continuous aligning yarns with a
funnel target. Macromolecular Materials and Engineering,
295(7), 660–665. https://doi.org/10.1002/mame.201000050
[10] Zhou, M., Xu, F., Ma, L., et al. 2022. Continuously
fabricated nano/micro aligned fiber-based waterproof and
breathable fabric triboelectric nanogenerators for self-powered
sensing systems. Nano Energy, 104, 107885.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107885.
[11] Mahfouzi, K., Norouzi, B. and Mohr, A. 2023.
Mechanical properties of nanofiber yarn produced by nozzlefree electrospinning system. Proceedings of the 13th National
Textile Engineering Conference of Iran, 2-4 November 2023.
[12] Mahfouzi, K., Khodaparast Haghi, A., Gabiloglu
Abaszade, R., Khalid, S. and Hajimahmud oglu Abdullayev,
V. 2025. Nanofiber yarn production machine using nozzleless
electrospinning. UK Design No. 6464224.
[13] Joseph, J., Nair, S. V., & Menon, D. 2015. Integrating
substrateless electrospinning with textile technology for
creating biodegradable three-dimensional structures. ACS
Nano Letters, 15(8), 5420–5426.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01815
[14] Amin Esmaili, T., Abbasi, A., Asadi, A. M., Norouzi, B.,
Mahfouzi, K. 2022. Investigation of the influencing
parameters in the production process of polyacrylonitrile
nanofibers in a disk electrospinning system”. 6th National
Congress and Workshops on Nanoscience and
Nanotechnology (NCWNN6).
[15] Qin, Y., & Rong, M. Z. 2003. Morphological
characterization and preparation of poly(vinylidene fluoride)
composites. Journal of Applied Polymer Science, 89(4), 1093–
1100. https://doi.org/10.1002/app.11792.
محدثه رمضانپور نشرودکلی و همکاران، نشریه نساجی و پلیمر ،11 ،1 ،85-76 1413
68
[16] Ruan, L., Yao, X., Chang, Y., Zhou, L., Qin, G., &
Zhang, X. 2018. Properties and Applications of the β Phase
Poly (vinylidene fluoride). Polymers, 10(3), 228.
https://doi.org/10.3390/polym10030228.
[17] Lovinger, A. J. 2014. Poly(vinylidene fluoride). Progress
in Polymer Science, 39(4), 683–706.
https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2013.09.002
[18] Wang, T. and Li, G. 1994. Crystalline phase
transformation in PVDF films: I. Thermal stress and tensile
studies. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics,
32(5), 859–870. https://doi.org/10.1002/polb.1994.090320509
[19] Mirjalali, SH., Mahdavi Varposhti, A., Abrishami, SH.,
Bagherzadeh, R., Asadnia, Sh., Huang, M., Peng, SH., Wang,
Ch. and Wu, Sh. 2023. A Review on Wearable Electrospun
Polymeric Piezoelectric Sensors and Energy Harvesters.
Macromol. Mater. Eng., 308, 2200442. DOI:
10.1002/mame.202200442.
[20] Mokhtari, F., Samadi, A., Rashed, A. O., Li, X., Razal,
J. M., Kong, L., Varley, R. J., Zhao, S. 2025. Recent progress
in electrospun polyvinylidene fluoride (PVDF)-based
nanofibers for sustainable energy and environmental
applications. Progress in Materials Science, V. 148, 101376,
ISSN 0079-6425,
https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101376.
[21] Chauhan, D., Kumar Singh, A., Tyagi, S., Iyamperumal
Anand, P., Ramakrishna, S., Kumar Srivastava, M. 2026.
Engineering of electrospun lead-free PVDF/Carbon
Nanofiber-ZnO nanocomposites for enhanced piezoelectric
energy harvesting and wearable sensing applications
Composites Part B: Engineering, V. 309, 113039, ISSN 1359-
8368, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.113039.
[22] Liu, Xia., Xu, Sixing., Kuang, Xuanlin., Wang,
Xiaohong. 2016. Ultra-long MWCNTs highly oriented in
electrospun PVDF/MWCNT composite nanofibers with
enhanced β phase. RSC Advances, 6, 108.
http://dx.doi.org/10.1039/C6RA24195F
[23] Wang, SH., Wan, Y., Sun, B., Liu, L.Z., Xu, W. 2014.
Mechanical and electrical properties of electrospun
PVDF/MWCNT ultrafine fibers using rotating collector.
Nanoscale Res Lett. 23;9(1):522. doi: 10.1186/1556-276X-9-
522. PMID: 25288915; PMCID: PMC4184468.