Polym. Compos.：通過同軸靜電紡絲實現納米粒子在聚合物基質中的最佳分散

DOI: 10.1002/pc.25924

納米增強聚合物在過去的幾十年中得到了廣泛的應用，因為與原始聚合物相比，它們表現出增強的性能。不幸的是，將納米粒子（NPs）分散到聚合物基質中是目前的一個主要問題，因為它們容易形成團聚體，從而限制了性能的提高和進一步的應用。在這項工作中，研究者建議使用一步同軸靜電紡絲法將NPs分散在聚合物基質中。特別是，將具有單峰和雙峰尺寸分布的氧化鐵（Fe3O4）NP分散在聚偏氟乙烯（PVDF）中，眾所周知，PVDF因通過靜電紡絲制備而具有改進的壓電性能。結果表明，NP的加入對聚合物纖維的改性取決于其表面積體積比。此外，透射電子顯微鏡顯示NP在聚合物中具有良好的分散性，尤其是對于最小的NP尺寸（單峰）。最后，與初始NP溶液相比，每個NP尺寸分布在電紡墊中都得到了很好的保留，這表明該技術適用于制備具有定制NP尺寸的納米增強PVDF結構。總的來說，同軸靜電紡絲是制備具有壓電/超順磁特性的材料的優先選擇。

圖1.靜電紡絲工藝示意圖[顏色圖可在wileyonlinelibrary.com上查看]

圖2.納米粒子（NP）溶液的透射電子顯微鏡圖像以及NP5（A），NP10（B），NP20（C）和NP10-20（D）的尺寸分布

圖3.電紡聚合物基質（聚偏氟乙烯[PVDF]，PVDF+NP5，PVDF+NP10，PVDF+NP20和PVDF+NP10-20）的掃描電子顯微鏡圖像及其相應的纖維尺寸分布。插圖：放大合成圖像中的纖維。比例尺=1μm

圖4.電紡聚合物基質（聚偏氟乙烯[PVDF]，PVDF+NP5，PVDF+NP10，PVDF+NP20和PVDF+NP10-20）的纖維尺寸分布[顏色圖可在wileyonlinelibrary.com上查看]

圖5.比較兩種不同尺寸分布的同軸靜電紡絲的示意圖。主要區別在于納米粒子（NP）的表面積體積比：對于給定的體積分數，NP的總量因其尺寸分布而有所不同，NP5（1）表現出更高的負電荷表面積，與NP20（2）相比，增加靜電吸引力，從而將纖維拉伸到更高的程度。與PVDF+NP20相比，這種拉伸效果導致聚偏氟乙烯[PVDF]+NP5基質的纖維直徑減小[顏色圖可在wileyonlinelibrary.com上查看]

圖6.僅純聚偏氟乙烯[PVDF]、PVDF+NP5、PVDF+NP10、PVDF+NP20和PVDF+NP10-20基質的透射電子顯微鏡圖像。插圖：放大單根纖維。白色箭頭指示NP在纖維邊緣上的位置

圖7.納米粒子（NP）在其溶劑中以及在NP5（A），NP10（B），NP20（C）和NP10-20（D）復合物中的尺寸分布[顏色圖可在wileyonlinelibrary.com上查看]