电纺PVDF/纤维素纳米晶复合纤维：介电与机械性能协同增强及其柔性电子应用

这篇研究通过静电纺丝技术将可再生生物填料纤维素纳米晶（CNCs）引入聚偏二氟乙烯（PVDF）基质，系统探究了CNCs对PVDF纳米纤维的介电、铁电、机械及热学性能的调控作用。结果表明，1 wt% CNCs的添加使PVDF的β相含量显著提升（FTIR验证），拉伸强度增强140%（力学测试），介电常数从5.9增至9.4（介电分析），同时P-E回线证实铁电性能优化。该工作为可持续高性能柔性电子（如能量收集器件和传感器）提供了轻质复合材料解决方案。

　　

亮点

本研究通过静电纺丝技术将菠萝叶源纤维素纳米晶（CNCs）作为绿色填料引入PVDF基质，揭示了CNCs通过氢键作用诱导PVDF链排列，显著提升β相含量（FTIR证实达85%）。1 wt% CNCs负载使复合材料展现突破性性能组合：拉伸强度提升140%，介电常数提高至9.4（1 kHz），同时保持低介电损耗（<0.02）。P-E回线显示剩余极化强度随CNCs含量递增，证实界面极化与偶极取向协同强化铁电响应。这种轻质柔性纳米纤维在可穿戴传感器和能量收集领域具有独特优势。

材料与方法

材料：采用本地采购的菠萝叶（Ananas comosus）经硫酸水解提取CNCs，PVDF（Mw=180,000 g/mol）与DMF/丙酮（3:2）混合溶剂构成纺丝液。

CNCs制备：菠萝叶纤维经5% NaOH碱处理（80°C/2 h）去除木质素，17.5% H₂O₂漂白后，60% H₂SO₄水解（45°C/45 min）获得CNCs，透析纯化后冷冻干燥。

静电纺丝：12 kV电压、15 cm接收距离、0.5 mL/h流速制备PVDF/CNCs（0.5-1.5 wt%）纳米纤维膜。

结果与讨论

形貌表征：FESEM显示CNCs以棒状结构（长150±20 nm）均匀分散于PVDF纤维（直径800±50 nm），Raman mapping证实CNCs-OH与PVDF-CF₂基团氢键作用。

β相形成机制：FTIR在840 cm^-1处特征峰强度随CNCs含量增加，1.5 wt%样品β相分数达82%，归因于CNCs表面-OH诱导PVDF全反式（TTTT）构象。

性能提升：

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  机械性能：1 wt% CNCs使杨氏模量（110%↑）与断裂伸长率（95%↑）同步提升，归因于CNCs纳米增强效应与应力传递。

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  介电行为：界面极化与β相协同使介电常数在1 kHz下从5.9（纯PVDF）增至9.4（1.5 wt%），tanδ保持<0.02。

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  铁电响应：P-E回线显示剩余极化（P_r）从3.2 μC/cm²（纯PVDF）提升至5.8 μC/cm²（1.5 wt%），矫顽场（E_c）降低18%。

结论

CNCs作为生物基纳米填料通过双重作用机制（β相诱导与界面增强）使PVDF复合材料实现介电-机械性能协同突破。1 wt% CNCs为性能平衡点，其轻质柔性特性特别适用于自供电电子皮肤与可穿戴能量收集装置。该研究为开发下一代绿色电子器件提供了新思路。