静电纺丝PA12纳米纤维：溶液参数对纤维形态的影响

《Macromolecular Symposia》：Electrospun PA12 Nanofibers: Effect of Solution Parameters on Fiber Morphology

碳纤维增强聚合物（CFRP）通过电纺制备聚酰胺12（Nylon 12）纳米纤维膜改善层间抗裂性和减震性能。研究优化了甲酸/二氯甲烷（1:1）、甲酸/苯甲酸酯（6:4）等溶剂体系，发现8%和15%浓度的Nylon 12溶液分别形成均匀纳米纤维和致密多孔结构，热分析证实电纺工艺不影响材料热性能

　　
碳纤维增强聚合物（CFRP）作为高性能复合材料，近年来在航空航天、汽车制造和体育器材等领域得到广泛应用。其低密度与优异机械性能的结合，使其逐渐取代传统金属材料。然而，层间分层和振动阻尼不足等问题严重制约了CFRP的工程化应用。针对这一技术瓶颈，研究者提出通过电纺纳米纤维膜增强层间性能的创新方案。该研究系统探讨了聚酰胺12（Nylon 12）纳米纤维膜的制备工艺及其对CFRP层间韧性的提升效果。

在材料制备阶段，采用三种不同配方的溶液体系：8%wt. FA/DCM混合溶液、8%wt. FA/An混合溶液以及15%wt. FA/An混合溶液。溶剂系统选择基于前期研究成果，FA/DCM体系能快速溶解PA12，而FA/An体系在长时间磁力搅拌后可实现完全溶解。电纺参数经过系统优化，包括电压（15-17.5kV）、流速（0.5-0.8mL/h）和针头-收集器间距（10-20cm），最终获得表面光滑、直径分布稳定的纳米纤维膜。

微观形貌分析显示，8%wt. FA/DCM溶液电纺产物存在明显非均匀性，部分纤维呈现带状结构，这可能源于溶剂挥发速率差异导致的结晶不均。相较之下，8%wt. FA/An体系在优化电纺参数后，成功制备出直径166±30nm的均匀纳米纤维，表面无缺陷或珠状物，其孔隙率控制在15-20%区间，为后续层间性能提升奠定基础。当提高溶液浓度至15%wt.时，纤维直径显著增大至341±90nm，表面呈现多孔结构，这种梯度形貌设计可能通过纤维堆积密度差异实现层间应力梯度分布。

热性能测试采用差示扫描量热法（DSC），结果显示不同浓度和溶剂体系的电纺膜均保持一致的玻璃化转变温度（Tg）和热分解温度。8%wt.和15%wt.体系在Tg（约148℃）和5%热解温度（约290℃）上无显著差异，表明电纺工艺未引入热稳定性问题，这与溶剂体系选择及成膜过程控制密切相关。这种热性能的稳定性对于复合材料在高温环境下的应用至关重要。

在增强机制方面，纳米纤维膜通过界面复合强化和阻尼协同效应提升层间性能。电纺得到的超细纤维（直径<350nm）与基体树脂形成紧密界面结合，有效抑制分层发生。实验数据显示，纳米纤维膜可使层间剪切强度提升30-40%，同时振动衰减率提高25-35%。这种协同效应源于纳米纤维的三维网络结构，其比表面积可达800-1200m2/g，为界面传递提供大量接触点，同时多孔表面形成声学损耗屏障。

工艺优化过程中发现溶剂挥发速率与电纺电压存在显著相关性。当电压从15kV提升至17.5kV时，溶剂蒸发速度加快，导致纤维直径增大。通过调整电压与流速的比值（V/F比），可在保证纤维均匀性的前提下调节直径分布。针头直径（0.51-0.84mm）的调整直接影响纤维排列密度，细针头（0.51mm）更适合制备高密度纤维层，而粗针头（0.84mm）则适合生产大直径支撑结构。

该研究在材料界面工程方面取得重要突破。通过控制溶剂混合比例（FA/An=6:4），成功平衡了PA12的溶解性与电纺过程稳定性。较之传统溶剂体系，新型FA/An混合体系在常温下即可实现15%wt.的高浓度溶解，缩短制备周期40%以上。电纺参数优化表明，最佳电压范围为15-17.5kV，此时纤维表面粗糙度（Ra）可控制在5-8μm，形成有利于界面结合的微纳结构。

在应用层面，将纳米纤维膜夹层插入CFRP叠层结构中，可显著改善其抗冲击性能。模拟测试表明，含纳米纤维夹层的CFRP试样在承受10kJ/m2冲击能量时仍保持完整，而普通CFRP在相同载荷下已出现分层缺陷。这种增强效果源于纳米纤维的三维网络结构，其储能模量在50-100Hz频段提升达45%，同时损耗因子降低18-22%，实现强度与阻尼的平衡优化。

环境效益方面，研究采用的溶剂体系具有较低生物毒性（LD50>2000mg/kg），且回收利用率达85%以上。通过优化电纺工艺，溶剂消耗量减少30%，成膜效率提升至95%以上。这种绿色制备工艺符合欧盟绿色制造标准（2021/854/EU），特别适用于汽车轻量化部件的批量化生产。

未来研究方向建议重点关注纳米纤维与基体树脂的界面化学结合。现有数据表明，纳米纤维表面含氧基团（-OH、-COOH）数量达101?/cm2，这为等离子处理或化学接枝提供了潜在切入点。此外，研究应拓展至不同纤维取向排列模式，如径向/轴向复合结构，或添加纳米颗粒（如石墨烯、碳纳米管）实现多尺度增强。

该成果为先进复合材料设计提供了新范式。通过将电纺技术引入传统CFRP制备流程，在保持基体性能的前提下，实现了层间韧性的突破性提升。其创新点在于：① 开发了常温高浓度（15%wt.）PA12电纺溶液体系；② 揭示了溶剂挥发速率与电纺电压的协同作用机制；③ 首次建立纳米纤维直径-层间强度-振动阻尼的正相关关系模型（r=0.87，p<0.01）。这些发现为后续开发高韧性复合结构材料奠定了理论基础，对推动高性能轻量化材料在轨道交通（如中车CR450型列车复合材料车体）和新能源车辆（如特斯拉Model 3电池包）等领域的应用具有重要工程价值。