2D/3D打印电纺纤维及用于应变传感的研究

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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-field Electrospinning)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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