DOI: 10.1021/acsapm.1c01435

由于溶液、工艺和环境参数的协同作用，通过静电纺丝对纤维进行定向排布是一个充满挑战性的过程。与沉积随机取向纤维的固定式平板接收器不同，大多数研究都采用了能够实现纤维定向排布的特殊设计接收器。然而，在大多数情况下，所使用的收集器要么具有可移动部件，要么具有复杂的配置。本研究侧重于一种简化的设计概念，其中包括使用波纹金属收集器生产高度定向的电纺纤维，该纤维基于三种具有不同物理化学特性的聚合物体系：聚乙烯吡咯烷酮（PVP）（绝缘）、富含聚（3-己基噻吩-2,5-二基）（P3HT）的聚合物共混物（半导体）和聚（4-乙烯基吡啶-co-甲基丙烯酸丁酯）（P4VPBuMA）（聚电解质）。通过有限元分析模拟了波纹收集器存在下的电场分布，并与传统平面收集器的电场分布进行比较。最重要的是，延长静电纺丝时间后，所有情况下均能产生具有极高取向度（高达95%）的静电纺丝网，从而证明了这种简单的收集器设计方法对生产各种化学成分的高取向静电纺丝聚合物纤维的有效性。P3HT体系的电光表征显示定向纤维与随机取向纤维具有相同的光学特性，这表明纤维的分子构象和结构状态不受静电纺丝定向排布过程的影响。另一方面，与随机取向纤维相比，定向纤维具有优异的电性能，这可以通过抑制滞后和高达2.5倍的光电导率增长得以证实，其原因可归结于定向排布导致电容寄生效应的降低。

图1.使用SOLIDWORKS 3D CAD和分析软件进行波纹接收器的3D设计（a）以及波纹接收器的尺寸（以毫米为单位）（b）。

图2.用于制备随机取向（a）和高度定向（b）纤维的静电纺丝装置示意图，由三种具有不同物理化学特性的聚合物体系组成，即PVP（绝缘）、P4VPBuMA（聚电解质）和富含P3HT的聚合物共混物（导电）。

图3.扁平收集器（a）、凹形收集器（b）和波纹收集器（c）的电场矢量和等势线。

图4.沉积在扁平收集器上的具有各种化学成分的电纺纤维的照片：P4VPBuMA（a）、PVP（b）和P3HT/PEO（95:5）（c）。静电纺丝时间：20分钟。

图5.在不同的静电纺丝时间（10、20和40分钟）下，沉积在波纹收集器上的不同化学成分（1a-1c）P4VPBuMA、（2a-2c）PVP和（3a-3c）P3HT/PEO（95:5）的静电纺丝纤维的照片（a）。当使用P4VPBuMA（聚电解质）体系时，RH%与外加电压的关系图。

图6.静电纺丝（a）10分钟、（b）20分钟和（c）40分钟后沉积在波纹收集器中心的P4VPBuMA纤维的SEM图像和相应的2D取向张量（通过x轴对齐）。

图7.静电纺丝（a）10分钟、（b）20分钟和（c）40分钟后沉积在波纹收集器中心的PVP纤维的SEM图像和相应的2D取向张量（通过x轴对齐）。

图8.静电纺丝10分钟后沉积在波纹收集器中心的P3HT:PEO（80:20）和P3HT:PEO（95:5）纤维的SEM图像和相应的2D取向张量（通过x轴对齐）（分别为a和b）。

图9.（a）（95:5）P3HT:PEO定向纤维的光学显微镜和（b）荧光显微镜（b）图像。（c）纤维的激发和发射荧光光谱。（d）样品的时间分辨荧光衰减；红线对应于拟合数据。通过升高（正向）和降低（反向）偏置电压对随机（e）和定向（f）P3HT纤维进行暗电流和光电流测量。