DOI: 10.1038/s41598-021-88520-0

纳米纤维的尺寸和形态直接决定了它们的应用范围和性能，而规则图案化纳米纤维在传感器和生物材料领域进一步证明了其优越的性能。熔体静电纺丝能够控制纤维的沉积，是目前制备图案化纤维的最重要方法之一。然而，由于存在高压电场，熔融静电纺丝受到局部放电、电场击穿等安全隐患的困扰，加上纤维表面的电荷排斥，这严重影响了纤维的定位沉积，使其难以制备出规则的图案化纤维，极大地限制了图案化纤维的应用领域和应用效果。因此，纺丝工艺的改进和创新尤为迫切。根据TRIZ理论的物场模型和矛盾矩阵，系统地分析了熔融静电纺丝装置存在的问题。通过发明原理解决了技术上的冲突，建立了三维移动式磁力熔融纺丝装置模型，研制了磁力纺丝试验样机，并通过纤维形态探究了样机性能及影响因素。结果表明：（1）用永磁场代替静电场可以从根本上避免诸如电场击穿之类的安全隐患。（2）熔融聚合物流体上的磁场力可以产生足够的拉伸力，以克服表面张力并形成纤维。（3）沉积纤维时没有类似于静电纺丝过程的搅动不稳定相，可轻松制备出规则的图案化纤维。（4）收集器的平面运动对纤维产生额外的拉伸效果，从而进一步减小纤维直径。（5）在磁纺丝中，不需要外部高压电源，从而实现了设备的便携性。本文的研究结果为制备图案化纳米纤维提供一种新的方法。

图1.MES设备示意图

图2.MES的物-场模型

图3.MMS设备示意图

图4.MMS的物-场模型

图5.三维移动式MMS设备示意图

图6.三维移动式MMS的物-场模型

图7.磁流体注入装置

图8.三维移动式MMS设备

图9.MMS测试原型

图10.磁纺丝仿真图

图11.磁性液滴经磁力拉伸形成纤维

图12.通过磁纺丝制备的2D图案化纤维及其SEM图像

图13.含正交放置的纤维带的图案化结构

图14.PS和PS-Fe3O4复合材料的XRD图

图15.图案化纤维的AFM图