2D/3D打印电纺纤维及用于应变传感的研究

摘要

静电纺丝是通过静电力拉伸溶液或熔体形成微/纳纤维的方法。微/纳米纤维比表面积大、表面易改性，纤维膜具有质量轻且柔软等优点，在涉及的组织工程、药物控释、电子元件、传感器、柔性可穿戴器件等领域都有极大应用前景。为了满足不同的应用场合，我们需要把不同材料的微/纳米纤维排列或沉积成多种结构，但目前主要是通过重新设计电纺装置的喷头或接收板来实现。传统电纺方法主要用于制备无序排列的微/纳纤维，当采用转筒或平行电极作为接收装置时，能够制备出单向排列的微/纳纤维，但由于纤维沉积面积、厚度、排列状态等等仍无法得到有效控制，应用领域受到限制。近年来，采用近场静电纺丝方法能制备出具有定向排列、沉积位置可控等特点的微/纳米纤维，但近场电纺方法中喷头与接收装置间的距离一般小于3 mm，极容易出现放电和空气击穿现象，以及溶剂挥发不完全引起纤维直径不均匀等缺陷，也限制了其应用。 本文提出了一种均匀电场的静电纺丝（UFES，Uniform-fieldElectrospinning）方法。它由铝板中心插入针头组成纺丝喷头代替传统的纺丝针头，并与纤维收集板平行放置，然后通过两块平行板在针头与接收板间形成均匀电场，从而有效地延长纤维的射流稳定阶段，并抑制了不稳定现象的发生，提高了纤维沉积位置的定位精度，及使用安全性。文中通过电场仿真对UFES方法进行了理论分析，并与传统电纺技术进行了对比，为 UFES 实现纤维的精确沉积提供了理论依据。然后研究了影响 UFES 过程的影响因素，根据接收板移动轨迹和速度的不同，通过UFES方法可以打印出各种由微/纳纤维组成的2D和3D结构。当使用聚偏氟乙烯和碳纳米管的混悬液作为纺丝液，通过这种UFES方法可以打印出由弯曲纤维组成的条状导电结构，它具有制备过程简单、柔性可拉伸等优点，可承受较大变形，因此可以用作应变传感器，监测手指的弯曲伸展状态，在用作柔性穿戴器件、传感器等都有较大前景。

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