DOI: 10.1021/acsapm.0c00519

本文介绍了通过静电纺丝工艺制备亚微米碳纳米管（CNT）-环氧树脂纳米复合纤维的过程及其表征。静电纺丝是用于生产从亚微米直径一直到几十纳米直径的连续纤维的最通用、最廉价且最环保的技术之一。在此，通过混合硬化剂并进行热处理使环氧树脂部分固化，无需添加任何增塑剂或热塑性粘合剂，就可以实现亚微米环氧树脂纤维的静电纺丝。这种半固化方法使环氧树脂溶液具有足够的粘性，可用于静电纺丝，也就是说，不会因混合物中存在硬化剂而导致任何固化或不均匀性。使用粘度为65p的CNT/环氧树脂溶液，在16kV和10cm的收集器距离下纺制纤维。通过调整静电纺丝工艺参数，可将其直径调节低至100nm。通过将少量的CNT掺入环氧树脂中，可以获得更好的结构、电气和热稳定性。由于静电纺丝过程中存在静电场，因此CNT纤维在环氧树脂纤维内部对齐。环氧树脂和CNT/环氧树脂纤维的模量分别为3.24和4.84GPa。CNT的存在可以使模量提高多达49％。因此，选择适合工业复合产品的市售环氧树脂可使所开发的纤维具有更广的应用范围。

图1.通过静电纺丝制备亚微米CNT/环氧树脂纤维的过程示意图。

图2.固化的CNT/环氧树脂和环氧树脂样品的拉曼光谱，以及标记的D和G带以揭示复合材料结构中CNT的存在。

图3.低温断裂CNT/环氧树脂样品的SEM图像，显示（a）在静电纺丝之前CNT-环氧树脂结构内部的CNTs，（b）CNT-环氧树脂结构内部CNTs的形成，以及（c）在更高放大倍率下，CNT/环氧树脂复合材料内部CNT网络的均匀性。

图4.静置（a）5，（b）20和（c）30h后的电纺CNT/环氧树脂溶液的SEM图像。

图5.（a）不含，（b）含2％和（c）含4％碳纳米管的环氧树脂复合材料的X射线光电子能谱；结果表明，通过增加CNT浓度并改善复合材料的晶体结构，可以形成更多的C-O键。

图6.（a）亚微米纤维支架的侧视图以及（b）纯环氧树脂，（c）2wt％CNT/环氧树脂，和（d）4wt％CNT/环氧树脂的俯视图；横截面图显示了使用静电纺丝法在环氧树脂结构内部形成均匀的CNT。（e）不同CNT浓度下的纤维尺寸直方图。

图7.电纺CNT/环氧树脂纤维的（a）俯视和（b）侧视STEM图，以及（c）俯视和（d）侧视TEM图像，显示了聚合物结构中CNT簇的厚度范围、均匀性和单向形成。

图8.不同CNT浓度下CNT/环氧树脂纤维的热分析（TGA）；热分析表明，加入CNTs后，纤维的稳定性得到了改善。

图9.（a）不同CNT浓度下CNT/环氧树脂纳米纤维的模量和重量分数关系；观测值符合混合规则，验证了测量结果；（b）对照及CNT/环氧树脂亚微米纤维增强材料在弯曲载荷下的载荷-位移曲线。