DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109705

近年来，静电纺丝多层结构微/纳米纤维备受关注。在这项研究中，受自然界中螺旋槽和中空结构的独特特性和功能的启发，研究者制备了一种新型螺旋槽/中空结构的多层结构纳米纤维。基于纤维形成机理，使用设计的三流体静电纺丝系统，结合醋酸纤维素和其他合适的聚合物制备了螺旋槽/中空纳米纤维。通过改变喷丝头的毛细布置，获得具有螺旋槽和螺旋中空结构的纤维。为了探索复合纤维的形成过程，采用高速摄影技术记录了喷丝头下的泰勒锥和射流路径。通过对制备的纳米纤维的形貌和功能进行表征，证实了该纤维独特的螺旋槽/中空结构，及其良好的润湿性和力学性能。

图1.三流体静电纺丝的实验装置和电场分布。（a）产生螺旋槽/中空纳米纤维的三流体静电纺丝系统的示意图。对于b）三通道偏心喷丝头，c）三通道同心喷丝头，中心平面沿z轴和x-y平面在z=0mm处的电场分布。工作距离设置为10cm，外加电压设置为20kV。

图2.TPU、CA和PVP的DSC曲线。

图3.（a）三通道偏心喷丝头及其螺旋槽纳米纤维的制备过程示意图；（b）三通道同心喷丝头及其螺旋中空纳米纤维的制备过程示意图；（c）数码照片，可看到喷丝头全景；（d，e）分别为偏心喷丝头和同心喷丝头的正视图和侧视图。（f）三流体静电纺丝过程的高速照片，右上方的插图显示了泰勒锥的近距离视图。使用（g）三通道偏心喷丝头和（h）三通道同心喷丝头的复合泰勒锥。

图4.螺旋槽纳米纤维的制备和表征。（a）纤维组件的SEM图像及其直径分布，其中包含12wt％TPU/DMF溶液（外部），含15wt％CA的DMAc/ACE和1.8wt％LiCl溶液（中部）以及13wt％PVP/DMF溶液（内部）。（b）具有仿生螺旋槽结构的单螺旋槽纳米纤维的SEM图像。（c）丝瓜络幼枝盘绕卷须的照片，右上插图显示干燥后丝瓜络枯萎。（d）螺旋槽纤维的横截面SEM图像。e）螺旋纳米结构的TEM图像，f）图e的局部放大图，显示三层结构。（g-h）TPU、CA、PVP、核壳CA/PVP（F1）和TPU/CA/PVP（F2）纤维的FT-IR光谱。（i）具有螺旋结构（上部）和螺旋槽结构（下部）的复合纳米纤维的SEM图像，插图显示纤维膜表面上的WCA。实验流速条件为Qouter/Qmiddle/Qinner=0.2:0.2:0.02mL/h。工作距离为10cm，外加电压为20kV。

图5.不同流量比下螺旋槽纳米纤维的SEM图像以及尺寸分布。流速条件为Qouter/Qmiddle/Qinner=0.2:0.2:0.02（a，b）；0.2:0.2:0.04mL/h（c，d）；0.2:0.2:0.08mL/h（e，f）。工作距离为10cm，外加电压为20kV。插图显示了在具有不同流速比的螺旋槽纳米纤维膜上的水接触角。

图6.螺旋中空纳米纤维的制备和表征。（a）由12wt％TPU/DMF溶液（外部），含15wt％CA的DMAc/ACE和1.8wt％LiCl溶液（中部）以及13wt％PVP/DMF溶液（内部）制备的螺旋中空纳米纤维组件的SEM图像。右上角的插图显示出螺旋纳米纤维中的中空结构。b）复合纳米结构的TEM图像，c）图b的局部放大图，显示了三层结构。（d）具有不同放大倍率的螺旋中空纤维的横截面SEM图像。（e）螺旋中空纤维膜的XPS光谱。（f）TPU、CA和TPU/CA复合螺旋中空纤维的XRD图谱。（g）电纺膜的典型应力-应变曲线。实验流速条件为Qouter/Qmiddle/Qinner=0.2:0.2:0.04mL/h。工作距离为10cm，外加电压为20kV。

图7.螺旋槽和螺旋中空纳米纤维的制备与表征。（a）由12wt％TPU/DMF溶液（外部），含15wt％CA的DMAc/ACE和1.8wt％LiCl溶液（中部）以及含4wt％PEO的DMF/H2O溶液（内部）制备的螺旋槽纤维组件的SEM图像。（b）具有螺旋槽结构的单根纤维的SEM图像，左上角的插图显示了螺旋槽纤维的横截面图像。（c）螺旋中空纤维的横截面图，左上方显示了更高放大倍数的螺旋中空纤维。实验流速条件为Qouter/Qmiddle/Qinner=0.5:0.5:0.1mL/h。工作距离为10cm，外加电压为20kV。