广东斯倍秀植绒科技有限公司

静电植绒结构通过两种独特方式显著提升材料力学性能。第一种方法是直接在基材表面进行植绒处理，能获得优异的支撑性能。 [39] 第二种方法则是将植绒表面浸入环氧树脂或海藻酸盐水凝胶（ALG）等基材中，形成复合材料以增强原始凝胶材料的机械性能。[6,25,79]

在第一种方法中，静电植绒纤维形成支撑结构，显著提升了抗垂直压力性能，优于电纺工艺中常见的无序纤维排列。 [ 39,46]当对植绒表面施加向下力时，其抗压强度可通过沃尔瑟等人开发的支架模型进行描述。（图a)，如方程式（10）-（12）[39]所示

Fk =π2EI /4lk² (10)

σsf = Fk/Af (11)

σk = nfAf/Ages σsf (12)

这些方程中的参数定义如下：Fk表示临界压缩力，E代表弹性模量，I是几何转动惯量，lk为未被粘合剂覆盖的纤维长度，σsf为单根纤维的抗压强度，σk是整个支架的临界压缩强度，Af为单根纤维面积，Ages为总面积，nf则代表纤维数量。通过分析可知，缩短纤维长度并提高纤维密度能显著提升整体的临界压缩强度。

如图b所示，Walther等人证明，未接种的静电植绒支架（1mm聚酰胺纤维，15秒成片时间）达到了杨氏模量。250千帕的机械强度 [39] 表明，材料的力学性能与植绒密度/粒径存在直接相关性。但先前研究中通过静电纺丝法制备的支架，经过42天细胞培养后仅能达到17千帕 [80] ，仍显著低于未接种细胞的植绒支架。这一对比充分证明，即便不考虑细胞整合效果，静电植绒技术仍展现出更优异的机械性能优势。

此外，在软骨工程和纤维增强水凝胶应用中，静电植绒材料与海藻酸盐基水凝胶的结合比普通水凝胶具有更优异的机械性能。 [25,79] Elke等人将纯ALG和纯壳聚糖絮凝支架（CFSs）与ALG与CFSs复合材料（CFS + ALG）进行了对比。 [25]在50%应变条件下，静电植绒支架的抗压强度显著高于纯ALG，而壳聚糖/海藻酸盐植绒支架则展现出最高的抗压强度。受䲟鱼背侧吸盘边缘结构启发，Su等人通过尼龙纤维植绒与硅橡胶结合制备出新型结构（图c，d)。沿纤维轴向测量的复合材料拉伸模量和压缩模量分别为1013 kPa和74 kPa，其数值明显高于纯硅橡胶单独使用时的性能。 [79] 这些实验结果表明，静电植绒技术能有效提升纤维轴向的拉伸和压缩强度。除了提升材料在正应力方向的机械性能外，静电整流表面粗糙度的增加还能增强切向应力。李等人研究表明，在复合材料静电整流结构中，纤维径向方向的机械性能得到显著提升。实验数据显示，垂直排列的氮化硼/环氧树脂复合材料拉伸强度达到7.67兆帕，明显高于随机排列的氮化硼/环氧树脂(1.0兆帕）和纯环氧树脂(1.59兆帕）。 [18] 这种优异的拉伸性能可能源于环氧树脂层与垂直排列氮化硼层之间摩擦力的增强机制。相比之下，随机排列的氮化硼/环氧树脂复合材料则不具备这一特性。

总之，由静电植绒作用形成的垂直排列表面，可增强复合材料在纤维轴向和径向方向上的机械性能，特别是在压缩和拉伸性能方面。

参考文献：

[6] A.麦卡锡、K. L. M.阿维尼翁、P. A.霍鲁贝克、D.布朗、A.卡兰、N. S.夏尔马、J. V.约翰、S.韦斯、J.莱伊、J.谢，《今日材料》生物版2021年第12卷

[18]李X、徐Q、雷Z、陈Z，《陶瓷国际》2023年第49卷

[25] E.戈斯拉、A.伯恩哈特、R.托恩多夫、D.艾比布、C.切里夫、M. 格林斯基，《国际分子科学杂志》2021年第22卷

[39] A.沃尔特、B.霍耶尔、A.斯普林格、B.莫罗齐克、T.汉克、C.切里夫、W.庞佩、M.格林斯基，《材料》2012年第5卷

[46] R.托恩多夫、E.戈斯拉、R. T.科卡曼、M.克里斯滕、R. D.亨德、G.霍夫曼、D.艾比布、M.格林斯基、C.切里夫，《文本研究杂志》2018年第88卷

[79] S.苏，S.王，L.李，Z.谢，F.郝，J.徐，S.王，J.关，L.文，《物质》2020年第2卷

——摘选自论文<<Electrostatic Flocking: Reborn to Embrace MultifunctionalApplications>>

链接： https://doi.org/10.1002/sstr.202500143

静电植绒六大优势之六