通过表面润湿性和局部湿度控制在绝缘基底上电纺丝

摘要

我们提出一种直接技术，利用表面润湿性和受控湿度实现聚合物在柔性非导电基底上的电纺丝。通过提高等离子体处理亲水聚合物表面周围的局部相对湿度，吸附水单层充当瞬态接地电极。电纺纤维选择性沉积在亲水区域，无需复杂电极制造即可实现精确图案化。近场电纺丝进一步演示在亲水表面直接书写聚合物纳米纤维，为可穿戴和柔性电子器件开辟途径。

背景

电纺丝——一种在亚微米范围生产连续纳米纤维的经济方法——依赖高压源、喷丝头和收集器之间产生的电场。传统上收集器为导电基底(如金属)作为接地电极，确保稳定电场。当需要非导电基底时，必须添加外部导电层提供接地。

许多工业应用要求沉积在绝缘柔性聚合物上。先前工作仅实现极薄绝缘层(≤100 µm)或采用需要专用设备的复杂交流脉冲调制电流体动力学技术。尽管探索过电纺丝到液体电解质，但适用于任意绝缘基底的简单可扩展方法仍难觅。

我们引入一种利用高湿环境下亲水表面吸附水层导电性的方法。相对湿度(RH)高于50%时薄水单层可导电。通过控制等离子体处理聚合物周围的局部湿度，吸附水充当接地电极，实现独立于基底厚度且兼容常规装置的电纺丝。

方法

亲水聚合物基底制备

天然疏水的500 µm亚克力片经30秒氧等离子体处理(CUTE, Femto Science, Korea)。该处理引入硅醇基(SiOH)并将水接触角从81.3°降至36.7%，确认成功亲水化。掩膜电纺丝前等离子体暴露区域实现选择性亲水化。

电纺丝装置

电纺丝在室温(≈22°C)和中等RH(40-50%)下进行。10 wt%聚氨酯(PU)溶液(Pellethane 2363-80AE; Lubrizol, USA)溶于80/20(v/v) THF/DMF混合物作为纺丝流体。为对比研究，PU纤维沉积在结合亲水和疏水区域的亚克力收集器上(图1a)。

局部湿度控制

为提高收集器附近湿度，在亚克力基底和接地电极间放置湿纸(图1b)。因水蒸气扩散缓慢，基底附近RH达~70%而注射器尖端环境保持~50%(附件1: 图S2)。这种局部增加确保亲水表面快速吸附水分，促进静电耦合。

结果与讨论

电纺丝模式

我们考察两种配置：(1) 远场电纺丝(喷头-收集器距离=8 cm, 13 kV DC)和(2) 近场电纺丝(距离=1 cm, 2 kV DC, 喷头以100 mm s⁻¹移动)。远场模式下，纤维仅在亲水区域形成；疏水区域无沉积(图2)。亲水表面吸附水层提供必要接地，而疏水表面抑制电场形成。近场实验演示纤维可在亲水区域沿喷头轨迹直接书写，产生连续线条；疏水区域纤维不稳定且扭曲。

测试四种聚合物——PCL、PS、CA和PVDF——确认通用性。各情况下纤维仅沉积在亲水区域(图3)。SEM分析(图4)显示聚合物收集器上纤维形貌与常规金属电极上一致，表明局部湿度控制不损害纤维质量。

电场强度也影响沉积图案。施加电压从6 kV增至16 kV(喷头-收集器=8 cm)时，喷射流弯曲不稳定性增强，形成更大环路导致纤维沉积在疏水区域(图5)。低电压下纤维主要收集在亲水表面。

近场实验进一步验证方法。收集器为亲水聚合物时，喷头产生直线连续线条；疏水收集器上纤维不稳定弯曲(图6)。这证明无需外部电极即可在绝缘基底上直接图案化。

结论

我们建立了一种简单可扩展的方法，利用表面润湿性和受控局部湿度在任意厚度绝缘基底上电纺丝。氧等离子体使聚合物表面亲水化，~70% RH下吸附水充当接地电极。亲水收集器上沉积的电纺纳米纤维形貌与常规金属电极相当，近场书写在原本绝缘表面的亲水区域产生精确纤维图案。该策略消除复杂MEMS或电极制造需求，使电纺纳米纤维能集成到柔性可穿戴电子和其他新兴应用中。