静电纺纳米纤维中有时会出现串珠结构，这些串珠结构被称为电纺纤维的“副产品”，会影响纳米纤维材料的性能。因此，大部分情况下，静电纺丝实验过程中都希望得到平滑的纳米纤维，避免出现串珠结构。但是，串珠所带来的微纳米复合结构也会带给材料不一样的性能。无串珠的平滑纤维还是有串珠的复合纤维，你到底想要哪一个呢？

 

出现串珠结构的原因

 

聚合物分子链在溶液中形成缠结，具有一定的黏度，是静电纺丝技术制备聚合物纤维的必要条件。当聚合物溶液射流在泰勒锥表面形成以后，射流在高压静电场中收到电场力的拉伸，当有足够缠结的分子链沿射流轴向取向化，能够平衡电场力的拉伸，保持射流的连续性，从而形成纤维。当缠结度不够时，射流无法保持连续，就会断裂形成串珠结构纤维。

 

串珠结构形成的因素

 

1、聚合物相对分子质量

在聚合物浓度一定的情况，相对分子质量低时，聚合物射流在电纺过程中出现断裂，分子链未被充分拉伸取向化，会得到串珠结构纳米纤维。

图1、Mw对静电纺聚乙烯醇纤维形貌的影响（溶液浓度为25%）

 

2、静电纺丝溶液浓度和黏度

当聚合物相对分子质量固定以后，溶液浓度是影响分子链在溶液缠结的决定性因素。当静电纺丝溶液浓度和黏度较低时，溶液分子链缠结度不够，受力拉伸不均匀，分子链取向化协同不一致，也会产生串珠结构纤维。

图2 溶液浓度对静电纺聚苯乙烯纤维形貌的影响

 

3、聚合物溶液的电导率

聚合物溶液的电导率直接影响到纤维的形态，如果溶液的电导率低，射流受到的拉伸作用就较弱，容易获得串珠结构纤维。

图3 NaCl添加对珠状纤维随净电荷密度变化的影响。

 

4、电压和聚合物溶液注射速度

溶液浓度一定的情况下，电压升高，射流的不稳定性增加，分子链断裂的几率也会增加，使纤维膜中的珠粒数增多，但是串珠之间的纤维直径减小。在聚合物溶液浓度和黏度较大时，电压和接收距离一定时，增加注射速度，纤维膜中容易形成串珠结构。

图4 溶液注射速度对静电纺聚乙烯醇纤维形貌的影响（电压18Kv，接收距离15cm）

 

5、环境湿度

高湿度条件下，射流中溶剂的不易挥发，射流保持带电的流体状态，被电场力持续拉伸；在同样的时间间隔内，射流由于拉伸而直径减小，其表面积增加，单位电荷密度减少，射流轴向的不稳定性增加，导致形成串珠。

图5 环境湿度对静电纺聚环氧乙烷纤维形貌的影响。

 

串珠结构的性能

虽然，部分研究者都希望制备出没有串珠的平滑且均匀的纳米纤维。但是，江雷院士却独辟蹊径，反向思考了串珠结构纳米纤维的性能。通过调控静电纺丝溶液的浓度，制备了含大量串珠结构的纳米纤维材料。研究结果表明，因含有大量串珠结构，制备的复合膜材料表现出稳定的超疏水性能，其中，多孔串珠结构在超疏水性中起主导作用，纳米纤维作为骨架对复合膜进行强化。

图6 通过调控浓度，制备含有串珠结构的纳米纤维膜。

 

综上可以看出，串珠结构并非一无是处。因此，串珠结构究竟是静电纺丝过程中的“副产品”，还是有助于改善材料性能，需要研究者不断重复实验进行验证。

所以，实验过程中的重现性非常重要！在选择静电纺丝机要尽量选择配备环境控制的机型，避免环境因素干扰实验过程，导致实验重现性不佳。

 

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