研究背景：压电材料作为介电材料，具备显著机电耦合效应，在运动跟踪、健康监测等领域应用价值高。传统压电陶瓷（如 PZT）虽压电常数高，但存在脆性和毒性问题；压电聚合物（如 PVDF）虽柔韧，却压电常数小且机械性能较低，因此亟需新型环保压电材料。
纤维素纳米晶（CNCs）因其可生物降解性和环保特性，是一种很有前途的压电材料，适用于可再生电子设备。然而，CNCs 中偶极子的无规排列一直是实现其高压电性的障碍。因此，开发高效、低成本的 CNCs 取向策略对提升其压电性能至关重要。

近日，上海师范大学王飞飞教授团队在《Journal of Applied Polymer Science》期刊成功发布了关于纤维素纳米晶体（CNCs）压电性能提升的最新研究成果。该团队通过溶剂辅助高速静电纺丝技术，成功实现了 CNCs 在醋酸纤维素纳米纤维基体中的有序排列，显著增强了复合材料的压电响应，最高输出电压达 1.65 V。这一成果为生物相容性、柔性电子设备的压电材料研发提供了新思路与方法，推动了环保压电材料在电子设备中的应用。

将 CNCs 与 CA 共溶于 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）溶剂，利用 DMF 分子中丰富的羰基与 CNCs 优先形成氢键，阻断 CNCs 与 CA 聚合物的分子键合，使 CNCs 在高速静电纺丝过程中可自由旋转；通过 4000 rpm 的高速旋转收集器施加外力，促使 CNCs 沿纤维轴向大规模有序取向（见图2）。

X 射线衍射（XRD）分析表明，CNCs 在静电纺丝过程中结晶性得以保持，没有出现晶体退化或坍塌现象，如图 3 所示，确保了 CNCs 具有高结晶度，而高结晶度的 CNCs 是获得其高压电性的关键因素（见图3）。

此外，通过 2D 广角 X 射线散射（WAXS）分析发现，低速纺丝纳米纤维呈现各向同性散射环，表明 CNCs 晶粒取向随机；而高速纺丝的 CNCs/CA 纳米纤维 WAXS 图案显示出弧形散射环，如图 4（a）和（b）所示。且通过方位角积分强度分布曲线计算得出其取向指数 α 高达 0.54，表明纤维素晶体在高速纺丝过程中实现了高效取向。这种取向使 CNCs 的非中心对称纤维素 I 晶体在外力作用下更有效地产生偶极子重定向，从而增强压电信号输出。

​实验数据表明，含 20 wt% CNCs 的取向复合薄膜在 1 N、3 Hz 的手指敲击下，输出电压达 1.65 V，是随机排列样品的 2 倍（见图 5b-d）。此外，复合薄膜厚度约 65 μm，抗拉强度 70 MPa，兼具机械稳定性与压电性能。

综上所述，展示了一种经济高效且便捷的方法，利用高速静电纺设施设备制备具有增强压电性能的纤维素基纤维膜。CNCs 从溶液转移到聚合物基质时保持了良好的结晶度。溶剂辅助高速静电纺丝在取向纳米纤维中实现了 CNCs 的大规模取向。因此，复合纳米纤维的压电信号大大增强，在 1 N 压力和 3 Hz 频率下的输出电压高达 1.65 V。这些结果证明了获得高质量 CNCs 基压电膜的可行策略，该策略可扩大规模用于生物相容性、柔性和耐用的电子设备。

值得一提的是，研究中使用的高速静电纺丝设备是一种先进的纳米纤维制备工具，具备诸多显著优势与特点。其高速纺丝功能可大幅提升生产效率，单位时间内产出更多纳米纤维，满足大规模生产需求。微迈自主研发的实验级MN60设备，就可以支持纳米纤维的小试批量生产，设备搭载多针智能下纺系统，可以灵活调控纤维排列，依据需求制备出随机或定向排列的纤维结构，拓宽应用范围。同时可以精准控制纤维直径，实现纤维的精细化与均匀化，所制纤维直径可控且分布均匀，赋予材料优异性能。设备还操作简便，可一键放大实验数据，为纳米纤维生产与研究提供了强大助力。

文献来源：https://doi.org/10.1002/app.57348