Page 68 - 《精细化工》2020年第12期

·2430· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 37 卷

管，并制备成神经导管以促进神经再生，但其机械
强度比随机取向的弱，这是因为，拉伸作用使纤维
直径减小，膜的厚度降低，从而导致机械强度减弱。
为了克服机械强度较弱的缺陷，通过在外部涂覆随
机取向纳米纤维可以增强其机械强度。
取向电纺能够增强纳米纤维的机械强度 [27] 。通
过掺杂物诱导或热拉伸促进石墨有序排列也能提升
取向度。CAI 等 [28] 研究表明，取向结构对电纺纤维
机械强度有积极作用，以竹纤维素为原料，电纺纤

维素纳米纤维并作脱乙酰处理，以其作为增强材料， 图 6 炭化温度（a）和 n(co-PAN)∶n(PAA)（b）对取向
在比较取向和无取向纤维素纳米纤维的力学性能时 ECNFs 力学性能的影响 [29]
发现，前者的拉伸强度约为后者的 7 倍，前者更适 Fig. 6 Effect of carbonization temperature (a) and n(co-
合作为增强材料。DUAN 等 [29] 将丙烯腈、丙烯酸丁 PAN)∶n(PAA) (b) on the mechanical properties of
[29]
aligned ECNFs
酯、衣康酸单丁酯合成共聚物（co-PAN），然后与聚
酰胺酸（PAA）混合电纺成取向纳米纤维，并转化
成电纺碳纳米纤维（ECNFs），拉伸测试表明，当炭
化温度为 1400 ℃、n(co-PAN)∶n(PAA)=6∶4 时，
ECNF 的拉伸强度最大达到 1212 MPa，断裂伸长
率由最初的 0.48%提高至 1.32%（图 6）。原因是
1400 ℃条件下，n(co-PAN)∶n(PAA)=6∶4 的碳纳
米纤维有石墨层状结构并沿纤维轴方向有序排列，
这促使了纤维取向度的提升，进而显著提高了
ECNF 的机械强度。CHAWLA 等 [30] 研究了石墨取向
对单个碳纳米纤维力学性能的影响，在 50、500、
1000 r/min 转速下收集 PAN 纳米纤维，之后对 1000
r/min 转速下收集到的纤维进行热拉伸，纤维取向度
进一步提升（图 7a），纤维原始长度拉伸了 2 倍（2×）
和 4 倍（4×）的碳纳米纤维机械强度分别比未拉伸
（1×）的碳纤维增强了约 100%和 111%（图 7b），
证明了石墨取向对单个碳纤维力学性能的提高有
重要作用。

杨氏模量大小代表材料的刚性强弱，杨氏模量
图 7 转盘速度（50、500 和 1000 r/min）与热拉伸后（1×,
越大，材料刚性越强，反之，越弱。杨氏模量与纳 2×, 4×）的 Herman 取向系数（a）和经热拉伸后的
米纤维的取向有关 [31] ，聚合物链经拉伸后整齐排列， 碳纳米纤维机械强度（b） [30]
结晶度提高，纤维取向度增加 [32] ，高取向纳米纤维 Fig. 7 Herman's orientation factor for disc speeds (50, 500
促使纤维材料表现出更大的模量 [33] 。 and 1000 r/min) and hot stretching (1×, 2×, 4×) (a)
and the strength of carbon nanofiber after stretching
(b) [30]

ZHOU 等 [34] 在电纺聚(3,4-乙基二氧噻吩)/聚(4-
苯乙烯磺酸盐)（PEDOT/PSS）复合薄膜的定向机电
性能实验中，测试了嵌入取向纳米纤维 PEDOT/PSS
复合薄膜的应力-应变曲线。结果表明，其杨氏模量
约为无取向纤维的 3 倍，这是因为，取向度的增加
提高了纳米纤维的结晶度。ISMAR 等 [35] 采用静电纺
丝旋转和固定装置收集取向和非取向 PAN 纳米纤维
网，发现取向 PAN 纳米纤维网的力学性能优于非取