DOI:10.1038/s41598-020-69136-2
靜電紡絲是一種廣泛應用于制備納米級聚合物纖維織物的方法。由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯酸（PAA）等聚合物制成的超細纖維在空氣過濾器、電池和生物傳感器中有著廣闊的應用前景。然而，生產由平均直徑低于200nm的均勻分布的超細纖維組成的織物仍然是一個挑戰，因為這種長的超細纖維在到達收集器之前往往會破裂成小珠。在此，研究者利用添加2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基氧化纖維素納米纖維所獲得的溶液的觸變性來恢復溶液粘度，以穩定靜電拉長的納米纖維，從而使溶液在注射器針頭中由于剪切力作用而變得光滑，但在靜電力下釋放后又恢復了原來的粘度。使用這種方法，研究者成功地制備了由PVP和PAA組成的超細非織造納米纖維，其平均直徑低至約90nm，且珠子數量可忽略不計。
圖1.實現由無珠超細纖維組成的無紡布的概念。（a）低聚合物濃度的溶液會產生100nm以下的纖維，但由于其粘度低而形成珠狀結構。（b）高濃度聚合物溶液的高粘度克服了表面張力；但是，該溶液會產生100nm以上的粗纖維。（c）通過添加水溶性的TEMPO氧化纖維素，增強的溶液克服了表面張力并獲得了所需的纖維結構。（d）基于CNF引入的溶液觸變性，DVT方法用于穩定形成的納米纖維的最長狀態以防止其在到達卷繞機之前破裂成珠子，該示意圖顯示了靜電紡絲過程中各位置剪切應力和粘度的假設曲線。
圖2.靜電紡絲PVP的SEM圖像。用（a）8wt％、（b）12wt％和（c）16wt％PVP水溶液制備的電紡纖維。隨著PVP濃度的降低，形成了更細的纖維。但是，珠子的數量增加了。比例尺，2μm（a-c）。值為平均值±標準偏差。Fr：纖維比率。
圖3.制備的靜電紡絲溶液的流變性能。a，通過流變儀測量的粘度與剪切速率之間的關系。b，用手傾斜約1s后直接捕獲的已制備溶液的照片。雖然PVP原始溶液對傾斜的響應速度很快，但添加TEMPO-CNF的溶液顯示的響應速度較慢（補充影片1）。c，注射器針頭的示意圖，顯示內徑R和溶液進料速度Q。就d，PVP濃度和e，12wt％PVP水溶液中的TEMPO-CNF濃度而言，根據液滴的形狀估算的表面張力。（d）和（e）中的插圖描繪了觀察到的液滴。對于0.8wt％的CNF濃度，溶液太粘而無法估計表面張力。
圖4.將TEMPO-CNF添加到12wt％PVP水溶液中的效果。由12wt％PVP水溶液與（a）0.2、（b）0.4和（c）0.8wt％TEMPO-CNF制成的電紡纖維。由含0.4wt％TEMPO-CNF的12wt％PVP水溶液制備了平均直徑低于100nm的超細纖維。比例尺，2μm（a-c）。數值為平均值±標準偏差。Fr：纖維比率。
圖5.纖維中的模擬時移變化。從直徑為（a）50、（b）100和（c）200nm的圓柱開始，長達1 ms的纖維形態演化；纖維材料的粘度為0.8 Pa·s。d，粘度為8 Pa·s，直徑為100nm的纖維（補充影片2）。
