温度对电纺聚氨酯纳米纤维杨氏模量的影响

摘要

利用原子力显微镜（AFM）制备并表征了电纺聚氨酯（PU）纳米纤维的力学行为。对单根纤维进行三点弯曲测试，发现在室温下直径约150 nm纤维的杨氏模量约为25 GPa。随着直径减小，模量上升，归因于表面张力效应。升高温度导致模量线性下降，而纤维形态保持完整。

背景

一维（1D）纳米材料因其独特性能和多样化应用备受关注。虽然存在多种制备路径，但电纺因其低成本、可扩展性和通过静电喷射变细产生亚微米纤维的能力而脱颖而出。

聚氨酯由尿烷键连接的软硬段组成；软链提供柔韧性，硬链赋予强度。其可调硬度使PU成为各行业热门选择。电纺PU纤维在高性能空气滤料、防护纺织品、伤口敷料和传感器方面显示前景。然而，其力学性质知之甚少，主要因为纳米尺度测试具有挑战性。AFM已成为探测单个1D纳米结构弹性的实用工具，并开发出基于AFM的简便三点弯曲法，可高精度测量杨氏模量。

本研究制备电纺PU纳米纤维，利用AFM三点弯曲法研究温度对其杨氏模量的影响。

方法

材料制备

聚氨酯弹性体（Elastollan® 1180A10, BASF）溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和四氢呋喃（THF；天津恒兴化学试剂有限公司）1:1混合液中。室温下剧烈搅拌12 h确保完全溶解。电纺使用商用系统（北京优凯瑞科技发展有限公司）。在喷丝头与接地旋转收集器13 cm间隙施加9–10 kV高压。收集纤维，真空干燥过夜去除残留溶剂，干燥器中保存待测。

物理表征与测试

扫描电镜（SEM, JSM-6610LV）评估纤维形貌。热重-差示扫描量热（TG/DSC）在氩气中用TA Instruments SDT Q600进行。电纺膜宏观模量用Instron 5943万能试验机测量。纳米力学测试中，纤维沉积于宽2 µm、深3 µm槽隙的硅模板上；50 nm直径球形AFM探针（Bruker Nano）在槽中心施力。悬臂弹簧常数经热力学标定，蓝宝石参考面设定偏转灵敏度。每根纤维5次独立测量取平均。有限元分析（ANSYS 15.0）评估探针穿透，确认纤维表面变形可忽略。

结果与讨论

SEM图像显示直径从几百纳米到数微米的随机纤维网络。AFM横截面确认均匀侧向轮廓，平均直径约300 nm。TG/DSC曲线显示两个降解阶段：100–200 °C间微小失重（水和挥发物）和~300 °C显著失重（聚合物分解）。FTIR光谱显示PU特征峰在3320、2960、1710、1530、1220、1110和777 cm⁻¹，确认纤维化学完整性。

三点弯曲装置（图3）中，杨氏模量（E）按公式计算：E = FL³ / (192 dI)，F为中点力，L为悬空长度，d为挠度，I = πr⁴/4。测试满足所有假设（固定端、L≫r、小挠度）。FEM结果显示探针穿透<变形量的10%，验证线性弹性模型。

模量-直径图（图4a）显示明显尺寸依赖性：150 nm处25 GPa，>300 nm纤维降至~5 GPa。此趋势与其他聚合物纳米纤维报道一致，归因于表面张力。用表面张力模型计算，PU纳米纤维本征模量≈5.0 GPa，高于块体PU，因电纺时链取向所致。电纺膜本身因高孔隙率表现出低模量（~0.9 MPa）。

温度依赖测量（图5a）显示155 nm纤维模量从25 °C到60 °C线性下降。60 °C下AFM成像确认纤维完好，仅直径略增（200→214 nm）。这些发现表明PU纳米纤维在中等温度保持尺寸稳定，可用于纳米传感器和温度响应器件。

耐久性测试（图6）对215 nm纤维进行50次弯曲循环。模量基本不变，表明优异的力学韧性。

结论

我们利用基于AFM的三点弯曲法测量了电纺PU纳米纤维的杨氏模量。模量随直径减小急剧上升，此行为由表面张力主导。温度在25 °C至60 °C间导致模量线性下降，但纤维保持形态且经受反复弯曲无显著刚度损失。

缩略语

1D

一维

AFM

原子力显微镜

DMF

N,N-二甲基甲酰胺

PU

聚氨酯

SEM

扫描电镜

TGA/DSC

热重-差示扫描量热

THF

四氢呋喃