Page 67 - 《精细化工》2020年第12期
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第 12 期 施成东，等: 电纺纳米纤维取向对其特性的影响 ·2429·
小的压力值（0.10 Pa）下也能实现超高的压力测量灵 定性，因为微观上分子链取向提高了结晶度，整体
敏度。HSU 等 [18] 制备的电纺取向 P(VDF-TrFE)纤维 上纤维取向度增加，进而促使纳米纤维热稳定性的
束可作为可穿戴式纺织传感器的关键部件，通过测 增强。HE 等 [22] 通过滚筒加上热拉伸法制备了取向
量肱桡肌和肱二头肌的周期性收缩曲线可知，与无 良好的电纺聚间苯二甲酰间苯二甲酰胺（PMIA）纳
取向 P(VDF-TrFE)纤维束相比，取向 P(VDF-TrFE) 米纤维，通过拉伸，非晶体区域内聚合物分子迁移
纤维束具有良好的压电性能，在低频率范围内表现 率显著增加，进而促进分子有序排列，纳米纤维的
出高灵敏度。 结晶度提高。DSC 分析了未拉伸的和拉伸后的
纳米纤维作为压电传感器部件应用潜力大， PMIA 纳米纤维玻璃化转变温度（T g ），如图 5 所示，
CAI 等 [19] 采用静电纺丝法制备聚 β-羟基丁酸盐/多壁 当拉伸力为 8 N 时，T g 为 263.8 ℃；拉伸力为 12 N
碳纳米管（PHB/MWCNTs）复合材料，进行热拉伸 时，T g 达到 265.6 ℃，分别比未拉伸时（260.9 ℃）
处理，用压电常数（d 31 和 d 33 ）衡量 3 种样品的压电 提高约 3 和 5 ℃。LEE 等 [23] 对制备的三元聚酯纳米
性能。如图 4 所示，PHB、PHB/MWCNTs 和热拉伸 纤维进行热稳定性测试，发现直径较小的纳米纤维
后 PHB/MWCNTs 纳米纤维 3 个样品的压电性能依 比直径较大的纳米纤维具有更高的 T g ，说明纤维直
次增强，热拉伸处理后的 PHB/MWCNTs 复合纳米 径较小促进了分子链有序排列，纳米纤维的结晶度
纤维的压电常数最大，其 d 31 和 d 33 分别为 25.71 和 提高，取向度增加，从而导致纤维的 T g 更高。
26.80 pC/N，这是因为，PHB 纺丝液加入 MWCNTs，
电纺过程使 PHB/MWCNTs 复合纳米纤维形成了更
多的 β 型晶体，聚合物链的取向性增强，取向度有
所增加 [20] ，再经过热拉伸处理，取向度得到进一步
提高，从而极大地改善了纳米纤维的压电性能。
a—未热拉伸；b—拉伸力为 8 N；c—拉伸力为 12 N
图 5 PMIA 纳米纤维的 DSC 曲线 [22]
Fig. 5 DSC curves of PMIA nanofibers [22]
2.4 力学性能
图 4 3 种样品的压电常数（蓝色：d 31 ；橙色：d 33 ） [19]
Fig. 4 Piezoelectric constant of the three samples (blue: 力学性能是衡量材料属性的基本特性之一，其
d 31 ; orange: d 33 ) [19] 与材料厚度、孔隙率、韧性、弹性、拉伸程度等有
关。此外，纤维的取向分布也是影响纳米纤维力学
2.3 热稳定性 性能的重要参数 [24] 。
热稳定性反映材料在温度影响下发生形变的能 取向纳米纤维在组织工程中可以作为导管或基
力。形变越小，热稳定性越强，反之，热稳定性越 底支架。作为支撑材料，部分取向纳米纤维机械强
弱。研究表明，取向纤维比无取向纤维的热稳定性 度较低，而无取向纤维机械强度较高，如二维随机
高。宋现友 [21] 以聚羟基丁酸酯（PHB）为原料，通 取向纳米纤维垫和三维径向取向纳米纤维垫的韧性
过静电纺丝技术在滚筒转速为 1600 r/min 下收集 和弹性有显著差异，二维随机取向纳米纤维垫和三
PHB 取向纳米纤维，再通过热拉伸进一步改善 PHB 维径向取向纳米纤维垫的韧性分别为(372±30)和
取向纳米纤维。结果表明，无取向 PHB 纳米纤维开 (97±20) N/m，二维随机取向纳米纤维垫和三维径
始分解温度为 200.00 ℃，最大热分解速率对应的温 向 取向纳米 纤维垫的弹 性模量分别 为 (13±1) 和
度为 248.00 ℃，而通过滚筒收集的取向纳米纤维并 (11±1) MPa [25] 。二维随机取向纳米纤维毡比三维径
进行热拉伸处理后，纳米纤维开始分解的温度为 向取向纳米纤维毡具有更高的机械强度，这是因为，
261.43 ℃，最大热分解速率时温度为 273.79 ℃，取 三维取向纳米纤维之间的接触点比二维随机取向纳
向纤维分解温度明显上升，更加不易发生形变，从 米纤维少。为了满足组织工程中对纤维强度要求高
而促使 PHB 纳米纤维的热稳定性显著提高。 的条件，可将两种类型纳米纤维复合。KIM 等 [26]
纳米纤维本身的结晶度在一定程度上影响热稳 改进静电纺丝收集装置生产出高取向纳米纤维导
