一、材料选择

• 聚合物特性

  • 分子量：高分子量的聚合物分子链较长，分子间的缠结程度高，在拉伸等外力作用下，能够承受更大的应力，从而使纤维具有更高的强度和韧性。例如，高分子量的聚乳酸（PLA）制成的静电纺丝纤维比低分子量的 PLA 纤维力学性能更好。
  • 结晶度：结晶度高的聚合物，分子链排列紧密有序，分子间作用力强，纤维的硬度、刚度和拉伸强度等力学性能会得到提升。如聚乙烯（PE）具有较高的结晶度，其静电纺丝纤维的力学性能优于结晶度较低的聚合物纤维。

• 添加纳米填料

  • 碳纳米管：碳纳米管具有优异的力学性能和高长径比，添加到聚合物中后，能与聚合物分子链形成较强的界面相互作用，起到增强增韧的效果。在聚苯乙烯（PS）中添加少量碳纳米管制成的静电纺丝纤维，其拉伸强度和弹性模量都有显著提高。
  • 纳米二氧化硅：纳米二氧化硅表面存在大量的羟基等活性基团，能与聚合物分子发生物理或化学作用，均匀分散在聚合物基体中，可提高纤维的力学性能、热稳定性等。在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中添加纳米二氧化硅，可使静电纺丝纤维的硬度和耐磨性增强。

二、工艺参数优化

• 电压与距离

  • 电压：适当提高电压，可增加电场力，使聚合物溶液射流受到更大的拉伸作用，纤维直径更均匀，取向度更高，力学性能得到提升。但电压过高会导致射流不稳定，出现分叉等现象，影响纤维质量。
  • 接收距离：接收距离影响纤维在空气中的飞行时间和拉伸程度。合适的接收距离能使纤维充分拉伸，分子链取向排列，提高纤维的力学性能。距离过短，纤维拉伸不充分；距离过长，纤维可能会过度断裂或堆积不均匀。

• 流量与速度

  • 溶液流量：流量较小时，形成的纤维较细，比表面积大，但可能存在纤维不连续等问题；流量过大，纤维直径变粗，可能会导致纤维堆积不均匀，影响力学性能。需要找到合适的流量，使纤维具有良好的形态和力学性能。
  • 接收装置速度：接收装置速度决定了纤维的收集方式和堆积形态。较快的接收速度可以使纤维在收集过程中产生一定的取向，提高纤维的力学性能。当接收速度与射流速度匹配时，能得到排列整齐、力学性能较好的纤维。

佛山微迈静电纺丝设备E05纺丝内腔

三、后处理方法

• 热处理

  • 结晶完善：对于一些半结晶性聚合物纤维，热处理可以使分子链在热能作用下进一步排列规整，完善结晶结构，增加结晶度，从而提高纤维的力学性能。如对聚丙烯（PP）静电纺丝纤维进行热处理，其拉伸强度和弹性模量会明显提高。
  • 消除内应力：静电纺丝过程中纤维内部可能会产生内应力，热处理可以使分子链段运动，消除内应力，使纤维结构更加稳定，力学性能得到改善。

• 化学交联

  • 交联剂作用：通过添加化学交联剂，如戊二醛、环氧树脂等，使聚合物分子链之间形成共价键交联结构。这种交联结构限制了分子链的相对运动，使纤维的强度、硬度和耐热性等力学性能显著提高。
  • 交联程度控制：交联程度过高可能会使纤维变得脆硬，降低韧性；交联程度过低，力学性能提升不明显。需要通过控制交联剂的用量、反应时间和温度等因素，实现合适的交联程度，以获得最佳的力学性能。