东华大学覃小红&王荣武：一步静电纺丝法制备功能性连续自卷曲微纳米纤维

DOI: 10.1016/j.compositesa.2022.106959

卷曲结构的微纳米纤维在新型功能应用中具有广阔的前景，但其制备方法仍面临着加工复杂、结构不可控和形成机制难以捉摸等挑战。在此，研究者通过一步静电纺丝法开发了一种新型连续自卷曲微纳米纤维成型方法。形貌观察、晶体表征、电学性能测试、数学模拟和力学分析表明，沉积在羊毛基材上的聚苯乙烯（PS）静电纺丝纤维卷曲的触发因素在于基底纤维间直径尺寸、介电常数和电导率以及间隙宽度的综合差异。此外，可以通过结合位置和形状来调整卷曲程度。建立了多力场理论模型来解释卷曲的形成机理，并通过实验进一步验证了这一点。总之，这项工作提供了一种简便的方法来激发各种特定纤维的卷曲，从而使其具有多领域的功能应用潜力。

图1.自卷曲静电纺丝纤维沉积在羊毛纤维基材上的整体制备过程，包括纺丝方法、结合形式和纤维形态。

图2.（a）用于沉积PS静电纺丝纤维的具有特定形态的各种常规基材纤维。SEM图像显示了沉积在不同纤维基材上的静电纺丝纤维的形态：（b1-b4）平板收集器上的PS-羊毛纤维复合材料，（c1-c2）平面狭缝收集器上的PS-棉纤维复合材料，（d1-d2）平面狭缝收集器上的PS-丙烯纤维复合材料，（e1-e3）不同相对结合位置处的自卷曲PS和羊毛纤维。

图3.显示在羊毛纤维基材上的PSH（a）、PAN（b）和PVA（c）静电纺丝纤维以及在棉纤维基材上的PSH（d）静电纺丝纤维的SEM图像。（e）不同聚合物样品的粘度、电导率和平均纤维直径。（f）常见材料在20℃和60%RH下的介电常数（ε）。（g-j）沉积在羊毛纤维基材上的PS、PSH、PAN和PVA纤维的直径分布。

图4.（a）不同PS基纤维的拉曼光谱，PS和PSH：直接沉积在平板收集器上的PS和PSH静电纺丝纤维，PS-wool和PSH-wool：沉积在羊毛纤维基材上的PS和PSH静电纺丝纤维。（b）在不稳定射流向羊毛纤维基材传送过程中PS静电纺丝纤维的形态变化图像。（c）纯羊毛组件和静电纺丝纤维组件的电导率。（d）静电纺丝纤维和羊毛纤维复合材料的电导率。（e）静电纺丝纤维在与羊毛纤维基材结合前后的表面电压。（f）电晕带电纤维组件和复合材料的饱和静态电压和半衰期。（a）中的虚线框反映了对聚合物链构象敏感的拉曼峰。所有上述静电纺丝纤维均采用200μL聚合物溶液制备。

图5.（a）纤维组件表面电位的测试示意图。（b）静电纺丝纤维和羊毛纤维之间临界接触区域的电场模拟。所有模拟参数均按照实际实验参数，外加电压为12kV，针尖到收集器距离为20cm，羊毛纤维间距为20μm，PS和羊毛纤维长度为50μm，PS纤维与羊毛纤维的距离为1μm，PS和羊毛的介电常数分别为2.5和5.4。（c）电场中卷曲射流的放大元件上多种力的相互作用示意图。（d）不同受力条件和组合方式下纤维结构的转变。

图6.（a）通过改变基材纤维的组装形式，在羊毛纤维基材和纱线基材上制备的卷曲和线性PS静电纺丝纤维。（b）卷曲的PS静电纺丝纤维是通过沉积在导电胶条基底上来生产的。

文章链接：http://www.biofabrication.cn/a/news/xueshu/2022/0505/903.html

文章来源：北京永康乐业 http://www.biofabrication.cn/