DOI:10.1038/s41598-020-69136-2

静电纺丝是一种广泛应用于制备纳米级聚合物纤维织物的方法。由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯酸（PAA）等聚合物制成的超细纤维在空气过滤器、电池和生物传感器中有着广阔的应用前景。然而，生产由平均直径低于200nm的均匀分布的超细纤维组成的织物仍然是一个挑战，因为这种长的超细纤维在到达收集器之前往往会破裂成小珠。在此，研究者利用添加2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基氧化纤维素纳米纤维所获得的溶液的触变性来恢复溶液粘度，以稳定静电拉长的纳米纤维，从而使溶液在注射器针头中由于剪切力作用而变得光滑，但在静电力下释放后又恢复了原来的粘度。使用这种方法，研究者成功地制备了由PVP和PAA组成的超细非织造纳米纤维，其平均直径低至约90nm，且珠子数量可忽略不计。

图1.实现由无珠超细纤维组成的无纺布的概念。（a）低聚合物浓度的溶液会产生100nm以下的纤维，但由于其粘度低而形成珠状结构。（b）高浓度聚合物溶液的高粘度克服了表面张力；但是，该溶液会产生100nm以上的粗纤维。（c）通过添加水溶性的TEMPO氧化纤维素，增强的溶液克服了表面张力并获得了所需的纤维结构。（d）基于CNF引入的溶液触变性，DVT方法用于稳定形成的纳米纤维的最长状态以防止其在到达卷绕机之前破裂成珠子，该示意图显示了静电纺丝过程中各位置剪切应力和粘度的假设曲线。

图2.静电纺丝PVP的SEM图像。用（a）8wt％、（b）12wt％和（c）16wt％PVP水溶液制备的电纺纤维。随着PVP浓度的降低，形成了更细的纤维。但是，珠子的数量增加了。比例尺，2μm（a-c）。值为平均值±标准偏差。Fr：纤维比率。

图3.制备的静电纺丝溶液的流变性能。a，通过流变仪测量的粘度与剪切速率之间的关系。b，用手倾斜约1s后直接捕获的已制备溶液的照片。虽然PVP原始溶液对倾斜的响应速度很快，但添加TEMPO-CNF的溶液显示的响应速度较慢（补充影片1）。c，注射器针头的示意图，显示内径R和溶液进料速度Q。就d，PVP浓度和e，12wt％PVP水溶液中的TEMPO-CNF浓度而言，根据液滴的形状估算的表面张力。（d）和（e）中的插图描绘了观察到的液滴。对于0.8wt％的CNF浓度，溶液太粘而无法估计表面张力。

图4.将TEMPO-CNF添加到12wt％PVP水溶液中的效果。由12wt％PVP水溶液与（a）0.2、（b）0.4和（c）0.8wt％TEMPO-CNF制成的电纺纤维。由含0.4wt％TEMPO-CNF的12wt％PVP水溶液制备了平均直径低于100nm的超细纤维。比例尺，2μm（a-c）。数值为平均值±标准偏差。Fr：纤维比率。

图5.纤维中的模拟时移变化。从直径为（a）50、（b）100和（c）200nm的圆柱开始，长达1 ms的纤维形态演化；纤维材料的粘度为0.8 Pa·s。d，粘度为8 Pa·s，直径为100nm的纤维（补充影片2）。