DOI: 10.1016/j.eng.2022.09.008

聚合物链的取向度是决定纤维力学和物理性能的关键结构参数。然而，理解和显著调控纤维大分子链的取向度仍然是难以实现的。在此，研究者提出了一种新型静电纺丝技术，可以通过控制电场来有效调节分子链的取向。与典型的静电纺丝方法不同，这种技术可以通过对金属环而不是针施加高压来分段控制电场。得益于这一变化，可以实现一种新的电场分布，从而导致牵伸力的非单调变化。因此，聚氧化乙烯（PEO）纳米纤维的大分子链取向得到了显著改善，红外二向色性比达到了创纪录的高水平。PEO射流细度急剧下降约80%，纳米纤维直径从约298nm减小至约114nm。有趣的是，结晶度从74.9%显著降低至31.5%，这与普通材料中取向链引起的高结晶度不同。综上，这项工作为制备具有最佳取向-结晶性能的新型静电纺丝纳米纤维提供了新的视角，并且这一优良特性有利于扩展其应用范围。

图1.（a）典型静电纺丝装置（左）和新型静电纺丝设备示意图（右）。DC：直流电。（b）典型静电纺丝过程中的电场强度分布。（c）沿直射流方向的电场强度分布（上），通过调整外加电压（中）和工作距离（下）改变电场强度。（d）新型静电纺丝的电场强度分析。q’：环上的点电荷。r’：从环上的点到直线段上的点的距离。E'：由环上的点在中心轴上产生的电场强度。（e）不同相对位置的喷丝头沿射流运动方向的电场强度（上）和射流速度（v）趋势（下）：当x＜（左）和x≥（右）时喷丝头与金属环的相对距离。

图2.（a）典型静电纺丝装置和（d）新型静电纺丝装置的3D模型示意图。（b）典型静电纺丝和（e）新型静电纺丝的电场分布。（c）典型静电纺丝和（f）新型静电纺丝的中心线电场强度，外加电压为8kV，工作距离为21cm。

图3.（a）新型静电纺丝和（d）典型静电纺丝切割射流的示意图。（b）新型静电纺丝和（e）典型静电纺丝相同位置的直段射流的SEM图像。（c）不同控制参数下新型静电纺丝纳米纤维的射流直径。（f）不同控制参数下典型静电纺丝纳米纤维的射流直径。1#-5#和6#-10#工作距离的实际值分别为20.823、20.646、20.293、19.939和19.586cm。

图4.（a-e）不同控制参数下，新型静电纺丝制备的纳米纤维的SEM图像和直径分布：（a）1#、（b）2#、（c）3#、（d）4#和（e）5#。（f-j）不同工作距离下典型静电纺丝制备的纳米纤维的SEM图像和直径分布：（f）6#、（g）7#、（h）8#、（i）9#和（j）10#。

图5.（a）PEO的高分子构象。（b）平行和垂直于纤维轴的偏振光谱示意图。（c）PEO流延膜、（d）静电纺丝无规纳米纤维、（e）典型的静电纺丝定向纳米纤维（6#）和（f）新型静电纺丝定向纳米纤维（1#）的偏振红外吸收。（g）不同控制参数下新型静电纺丝纳米纤维的红外二向色性比。（h）现有文献报道的PEO静电纺丝纳米纤维的红外二向色性比。

图6.（a）不同控制参数下新型静电纺丝纳米纤维的DSC热谱图。（b）不同控制参数下新型静电纺丝纳米纤维的结晶。Exo：放热。