DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109916

本文报道了如何由广泛使用的聚合物纳米纤维制备出宏观三维（3D）结构。通过增加维度，3D结构比常规的平面二维（2D）结构具有更多的优势。这些结构经静电纺丝技术制备而成，由于溶液中的某些添加剂和适当的工艺条件，该技术可以快速构建3D结构。确定并研究了3D静电纺丝的工艺参数，以更好地理解聚苯乙烯（PS）、聚丙烯腈（PAN）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）3D结构的形成机理。在静电纺丝室中插入不同类型的电极以改变电场并更好地控制3D结构的形状。利用标准静电纺丝机和无喷嘴静电纺丝装置研究了该技术的可扩展性。使用这些设备可以制备出3D结构，突出了该技术的多功能性。3D静电纺丝为制备具有微纤维特征的宏观3D结构开辟了新的道路。

图1.静电纺丝装置。（a）3D静电纺丝装置的照片和（b）示意图。（c）无喷嘴静电纺丝装置的照片和（d）示意图。

图2.所用电极配置的示意图。基极，（a）喷嘴周围有一个5cm的圆，（b）喷嘴周围有一个10cm的圆，（c）喷嘴周围有一个5.5cm的圆。（d）是一个5.5cm浮环形状的转向电极，置于收集器上方2.5cm处。收集器上带有（e）两个4cm×5cm矩形和（f）5.5cm环的引导电极。

图3.PS、PAN和PVP的3D静电纺丝结构。（a.1）3D PS的顶视图，（a.2）侧视图，（a.3）SEM图像以及（a.4）静电纺丝过程中的高帧率摄影图片。（b.1）、（b.2）、（b.3）和（b.4）为3D PAN。（c.1）、（c.2）、（c.3）和（c.4）为3D PVP。

图4.电纺3D PS的压缩蠕变试验。大多数蠕变变形发生在加载的前6小时内，对于10、20和50g的重量，变形分别高达51.9％、65.3％和75.8％。

图5.含有（3D）和不含（平面）HCl添加剂的聚合物溶液的粘度。符号；（●）含和不含HCl的DMF中的15wt％PS，（■）不含和含HCl的DMF中的15wt％PAN，（▲）不含和含HCl的MeOH中的15wt％PVP。使用添加剂时粘度没有显着变化。

图6.在含有（3D）和不含（平面）HCl添加剂的情况下，电纺PS纤维的FTIR光谱。没有观察到峰的显着变化。

图7.（a）在含有（3D）和不含（扁平）HCl添加剂的情况下，电纺PS纤维的XRD谱。两个样品之间没有观察到显着差异。3个加热-冷却循环期间PS的DSC热分析图：（b）原始PS和（c）电纺3D PS。这两个样品的热性能相似。

图8.基极对3D静电纺丝的影响。（a.1）使用一个5cm的铝箔圈基极进行静电纺丝的高帧率摄影图片和（a.2）电场模拟，其中（b.1）和（b.2）为10cm铝箔圈，（c.1）和（c.2）为5.5cm铝环。基极减少了静电纺丝射流的鞭状运动，从而形成湿线。

图9.转向电极对3D静电纺丝的影响。（a）使用一个5.5cm的铝环电极进行静电纺丝的高帧率摄影图片和（b）电场模拟。由于环上没有施加电压，静电纺丝射流会聚集于此。

图10.引导电极对3D静电纺丝的影响。（a.1）用两个平行铝矩形进行静电纺丝的高帧率摄影图片和（a.2）电场模拟。（b.1）用一个置于收集器上的5.5cm铝环进行静电纺丝的高帧率摄影图片和（b.2）电场模拟。引导电极有助于形成电纺3D结构。

图11.在不断增加的工作距离下静电纺丝制备3D PS结构，其最终结构更高。（a）3D结构的顶视图。（b）3D结构的侧视图。

图12.使用单针静电纺丝装置制备的3D结构：（a.1）3D PS结构的照片和（a.2）SEM，（b.1）3D PAN的照片和（b.2）SEM，以及（c.1）3D PVP的照片和（c.2）SEM。

图13.使用无喷嘴静电纺丝装置制备的3D结构：（a）3D PS的高帧率摄影图片，（b.1）和（b.2）照片以及c）SEM图片。（d），（e.1），（e.2）和（f）为3D PAN结构的照片。