一种静电纺具有超高分子链取向纳米纤维的通用策略丨Engineering

纤维大分子链取向度对材料的热性能、光学性能及电性能有着重要的影响，然而了解并调控纤维大分子链排列依然面临巨大挑战。不同于传统纤维制备技术，静电纺丝对高聚物流体的拉伸比高达 5 个数量级，这为材料微观结构塑造带来了新的可能。进一步改进和控制静电纺丝过程有望生产比现有单针式静电纺丝更高性能的纤维材料。电场力是静电纺丝过程中最主要的驱动力，电场力的大小和空间分布影响着泰勒锥形成、射流运动路径以及射流拉伸细化过程，从而决定了最终纳米纤维的各项特性。

单针式装置是最常用的静电纺丝配置，从针头激发出的射流所受电场强度大小不断下降，沿直线段射流运动方向的电场强度单调递减。在常规单针式静电纺丝过程中，可以通过改变施加电压 和纺丝距离 来调节电场。随着施加电压的升高或纺丝距离的减小，电场强度整体增加，但单调下降趋势并未变化。 因此常规单针式静电纺丝沿直线段射流运动方向的电场强度分布形式单一且较难大幅度调节（图 1 ）。

本文设计了一种新型静电纺丝装置，将电场施加在圆环而非单针头上，改变了常规电纺固有的电场强度分布单调递减的趋势，形成了一种差异化分布的电场（图 2 ）。本文首先对比分析了常规单针式静电纺丝和新型静电纺丝的轴向电场、射流受力和运动情况。随后以聚环氧乙烷（ PEO ）为原料通过新型静电纺丝制备了一组纳米纤维。利用截取射流、扫描电镜、偏振红外、差示扫描量热等技术系统探究了新型静电纺丝对单射流拉伸、纤维细化、纤维大分子链取向及结晶的影响，成功制备出具有超高链取向的纳米纤维材料。

图2. 新型静电纺丝电场强度分布。

研究结论总结如下：

（ 1 ）新型静电纺丝装置提供了新的电场分布，产生非单调变化的牵伸作用力，使射流在初始阶段获得加速度增加的变加速牵伸。

（ 2 ）新型静电纺丝可通过调整控制圆环的位置来大幅调控射流细度，相较常规单针式静电纺丝，射流细度可有效降低 80% 左右。

（ 3 ）随着针头配置距离下降，纳米纤维直径显著下降，从 ~298 nm 降低至 ~114 nm 。

（ 4 ）偏振红外分析表明，改变新型静电纺丝控制参数可以大幅调控 PEO 纤维大分子链取向度，制得了超高红外二向色性比（ 11.7 ）的 PEO 纳米纤维，且新型静电纺丝技术还可有效降低纳米纤维材料的结晶度。