北航趙勇教授、王女副教授課題組:靜電紡絲製備多級結構微/納米複合纖維及其應用

2021-02-18 高分子科學前沿

自然界中的很多生物都具有超浸潤表面，如具有「自清潔」效應的荷葉表面、水黽腿和鳥類的羽毛表面等都具有超疏水的性質。受自然啟發，在過去的幾十年中，科學家利用多種方法實現了超浸潤表面材料的製備。其中靜電紡絲技術由於特殊的多級微/納米複合結構和靈活的材料組成，提供了一種製備超浸潤表面的有效途徑。近日，北京航空航天大學趙勇教授、王女副教授課題組就靜電紡絲製備多級結構微/納米複合纖維，及其在自清潔、油水分離、乳液分離、有機液體分離、定向集水、液體單向透過和智能相應材料等多種領域的應用作了深入研究，並取得進展。博士研究生侯蘭蘭為第一作者，趙勇教授、王女副教授為通訊作者，北航為第一通訊單位，相關工作發表在國際著名期刊Advanced Functional Materials 2018, 1801114, DOI: 10.1002/adfm.201801114.

圖1. 靜電紡絲製備多級結構微納米複合纖維及其應用 

1. 靜電紡絲製備多級結構微/納米纖維

圖2. 電紡多級結構微納米纖維形貌圖

靜電紡絲技術是一種利用靜電拉伸製備直徑範圍在幾納米到幾微米之間的超細纖維的技術。通過調控靜電紡絲過程中的實驗參數，如溶液性質、施加電壓和環境參數等，可以製備具有多種結構的電紡纖維，實現外部形貌和內部形貌的調控。如圖2所示包括最常見的圓柱形纖維、扁平帶狀纖維、紡錘節纖維和表面多孔纖維；通過調節紡絲噴頭還可以實現「肩並肩」纖維的製備；利用與其它後處理方法相結合還可以得到表面具有納米針刺結構的多級纖維；以及內部中空、多通道、管套線、多壁結構、囊泡結構和「豌豆狀」的多級結構電紡纖維。

2. 仿生超浸潤電紡材料表面

圖3. 液滴在 (a) 光滑表面和符合 (b) Wenzel, (c) Cassie模型的粗糙表面的超疏水理論研究；以及液滴在(d) 一維單根靜電紡絲納米纖維，(e) 二維靜電紡絲超疏水平面和 (f) 具有結構梯度的纖維表面的浸潤行為研究

圖4. 生物表面啟發的仿生電紡超疏水表面 

經過數百萬年的進化，自然界生物趨於完美的超浸潤性能為設計和製造特殊溼潤性表面提供了新策略。受自然啟發，利用靜電紡絲形貌可控和材料組成可調的特性，通過形貌和性能模仿，研究者們已經成功製備出多種仿生超浸潤表面材料。圖4中所示為電紡技術製備的仿生超疏水表面：仿荷葉超疏水自清潔表面，玫瑰超疏水高粘附表面，具有圖案化親水/疏水結構的沙漠甲殼蟲背部，銀葉菊疏水表面，具有剛毛結構的超疏水水黽腿，以及鴨子的扇形超疏水羽毛表面。

圖5. 電紡超疏油材料表面

相比於超疏水表面，空氣超疏油材料的難點在於有機液體的表面張力比水低得多，這意味著需要探索具有更低表面自由能的材料。考慮化學組成和材料表面粗糙度的影響，通過改變電紡材料的表面曲率製備了空氣超疏油的表面（圖5a, b）。趙勇教授課題組利用靜電紡絲法製備了疏液範圍可調的超疏油表面，並取得了進展（圖5c, d Lanlan Hou et al., NPG Asia Materials 2016,8, e334.）。利用同軸紡絲法製備了超疏水超疏油表面（圖5e, f）。此外通過水凝膠或其它親水的材料修飾是製備水下超疏油表面的另一思路。

圖6. 電紡超親水材料表面

超親水表面的研究相比於對超疏液表面的研究較少。對於大部分多孔的親水介質來說，液滴會立即被表面吸收而不是發生鋪展，這對於「超親水」的定義是不太準確的。材料的表面能大於水的表面張力，液滴自發鋪展的表面可以稱為超親水表面。通過化學改性和直接製備等方法可以得到具有親水性質的納米纖維材料。超親水表面在水過濾方面有重要應用。

3. 靜電紡絲超浸潤纖維材料的應用

任何一項新的材料科學的發展總要經歷性能研究和功能探索兩個階段。靜電紡絲納米纖維因為其通常具有較大的比表面積、高孔隙率、優異的柔韌性和較小的纖維間孔徑等獨特的性能，使其在選擇性液體混合物分離、集水、單向滲透以及智能可控潤溼性材料等領域發揮重要用。趙勇教授課題組在這方面做了大量工作（Jing Wu et al.,ACS Applied Materials & Interfaces 2012, 4, 3207; Jing Wu et al., Soft Matter 2012, 8,5996; Jing Wu et al., Nanoscale 2016, 7, 2625; Lanlan Hou et al., NPG Asia Materials 2016, 8, e334; Yuanyuan Zhang et al., Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 16134; Shanshan Qiu et al., RSC Advances 2017, 7,19434）。

圖7. 「吸收型」電紡油水分離材料

海上石油洩漏事故的發生帶來了大面積的汙染和生態環境的巨大破壞，吸油材料因其在海上意外溢油的快速處理方面的獨特優勢而備受關注。吸油材料通常要求滿足以下幾個條件：（i）吸油量大；（ii）吸油速度快；（iii）大量廉價易製備。因此靜電紡絲成為吸油材料的重要選擇。圖7展示了靜電紡絲材料在吸油中的良好吸油性能。除了「吸收型」油水分離材料，「過濾性」油水分離材料同樣具備優異的油水分離效率，同時表現出良好的分離性能和分離通量（圖8）。

圖8. 「過濾性」電紡油水分離材料

圖9. 靜電紡絲材料用於混合有機液體分

當前，混合有機液體的分離是與資源循環利用、化工產品分離和環境保護密切相關的一個重要問題。在石化工業，食品，醫療，紡織印刷以及日常生活中的過程中會產生大量的油性液體，如果得不到妥善處理會帶來巨大的環境汙染和資源浪費。通過液體在材料上的潤溼性差異已經實現了不混溶的有機液體混合物的分離。利用膜材料對較高表面張力液體表現出超疏性質，而對較低表面張力液體表現出超親性質，進而實現分離（圖9）。

圖10. 靜電紡絲材料在乳液分離中的應用 

除游離油滴之外，乳化的油/水混合物，尤其是表面活性劑穩定的乳液更難以分離。研究表明「潤溼效應」和「篩分效應」是乳液分離的兩個關鍵因素。具有超潤溼性的多孔電紡過濾纖維膜材料恰好滿足這兩個要求，因此成為乳液分離膜的有利選擇（圖10）。

圖11. 靜電紡絲纖維用於集水 

在拉普拉斯壓力作用下，液滴在錐形材料表面傾向於從曲率半徑小的地方向曲率半徑大的地方運動。利用電紡材料的結構梯度和表面能差異實現了液滴的定向收集（圖11）。水滴在具有相反浸潤性質的超疏水/超親水不對稱表面可以從疏水方向向親水方向運輸，而在反方向則別攔截。液滴單方向滲透的行為，實現了液體「二極體」的功能（圖12）。對有機液體的單方向滲透操縱進一步拓展了該研究，相關工作取得了一定成果。

圖12. 靜電紡絲纖維用於液體單向滲透

圖13. 靜電紡絲智能響應材料

靜電紡絲智能響應材料可以根據環境中條件的改變而作出反應，如溫度、光照、pH值和離子強度等，進而該變材料的表面潤溼行為。由於材料的可選擇面廣，製備簡單，靜電紡絲已成為製備智能響應潤溼性材料的非常有吸引力的方法，圖13中所示分別為利用靜電紡絲技術實現溫度響應、紫外響應和其它外界條件刺激響應的表面製備報導。

 

文章連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801114

來源：高分子科學前沿

聲明：凡本平臺註明「來源：XXX」的文/圖等稿件，本平臺轉載出於傳遞更多信息及方便產業探討之目的，並不意味著本平臺贊同其觀點或證實其內容的真實性，文章內容僅供參考。

我們的微博：高分子科學前沿，歡迎和我們互動。

添加主編為好友（微信號：gfzkxqy，請備註：名字-單位-研究方向），邀請您加入學術圈、企業界、碩博聯盟、北美、歐洲、塑料、橡塑彈性體、纖維、塗層黏合劑、油墨、凝膠、生物醫用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、納米材料、表徵技術、車用高分子、發泡、聚醯亞胺等一系列技術交流群。同時可以在菜單中回復「交流群」，獲取群目錄。

投稿 薦稿 合作：editor@polysci.cn


相關焦點

  • 幾種典型陶瓷納米纖維的性能及製備方法
    Shao等人用PVA和氧氯化鋯製備成靜電紡絲的前驅體溶液，再利用靜電紡絲技術首次製備了直徑50～200nm的ZrO2納米纖維;Wang等利用氧氯化鋯為原料，吹紡法製備了優異的機械性能的ZrO2納米纖維海綿;Rodrguez-Miraso等人利用PVP和乙酸鋯為原料結合靜電紡絲技術成功製備了ZrO2納米纖維，並將其應用於催化上。
  • 北京潘凱和殷麗君講述靜電紡絲/靜電噴霧技術合理設計水凝膠結構
    水凝膠因其多樣且極好的功能特性以及廣泛的應用而吸引了科學界和工業界的極大關注。根據「結構決定功能」的邏輯，結構製備在水凝膠科學中起著關鍵作用。因此，水凝膠結構的合理設計是水凝膠功能和應用的保證。另外，水凝膠功能和應用的各種需求需要其具有複雜、有效和獨特的水凝膠結構。
  • – 納米纖維篇
    電紡絲在低溫燃料電池中，主要用於製作一維納米結構的催化劑、複合電解質膜基體及膜電極製備等方面。盧向軍 (2011) 用真空抽濾氧化石墨與聚苯胺 (PANI) 納米纖維的混合分散溶液，動組裝得到自支撐 GO╱PANI 複合薄膜，再利用氣態水合肼還原其中的 GO，最後重新氧化和摻雜還原態 PANI，製備了自支撐石墨烯╱PANI 薄膜。掃描電子顯微鏡結果顯示，Graphene╱PANI 薄膜為層狀結構，且PANI 納米纖維均勻插層於石墨烯片間。
  • 微電子所王曉紅課題組發文揭示柔性壓電納米纖維的晶向自調控過程...
    清華微電子所王曉紅課題組在《美國化學學會·納米》發文揭示柔性壓電納米纖維的晶向自調控過程清華新聞網2月21日電  近日，清華大學微電子所王曉紅課題組在《美國化學學會·納米》（ACS Nano，影響因子：13.33）在線發表了《通過β晶向自調控實現具有超高壓電性的聚合物納米纖維》（Ultrahigh Piezoelectric Polymeric
  • 以蠶絲納米纖維應用技術切入市場,「清科絲宇」提供蠶絲領域技術...
    公司成立於2018年，以蠶絲納米纖維應用技術為市場切入點，一方面，對蠶蛹、蠶絲、蠶繭等原料以及製備蠶絲納米纖維的中間產品進行創新研發，形成涵蓋蠶絲類衍生品等多領域的多條產品線；另一方面，依託清華大學的技術研發力量，推動從種桑、養蠶到產品生產全產業鏈的技術結構升級，為客戶提供蠶絲領域先進技術、產品及綜的技術解決方案，可應用於空氣過濾、美白護膚、醫用材料等多領域，天眼查顯示其擁有智慧財產權58項。
  • Fe3O4@Cs@Ag納米複合材料在磁性抗菌納米纖維膜生產中的應用
    ：Fe3O4@Cs@Ag納米複合材料的合成、表徵及其在磁性抗菌納米纖維膜生產中的應用DOI:10.1016/j.apsusc.2020.146332靜電紡絲是一種在不同領域生產聚合物和金屬氧化物納米纖維的有前途的技術。
  • 靜電紡絲誘導蛋白纖維的取向
    Biomacromolecules：靜電紡絲誘導蛋白纖維的取向DOI: 10.1021/acs.biomac.0c00500澱粉樣蛋白纖維是在實驗室通過控制熱處理由蛋白質製備而成的，但這些纖維必須經過進一步組裝，以符合生物纖維所需的機械和結構特性
  • 石墨烯纖維紗的性能及其應用
    ，從2004年石墨烯在實驗室被正式製備以來，受到全球廣泛關注，被譽為「新材料之王」。 　　5、防紫外線 　　石墨烯纖維同時具防紫外線功能，無論製作貼身衣物還是外穿時裝，功能同樣出眾。 　　石墨烯纖維的應用範圍 　　纖維石墨烯內暖纖維是由生物質石墨烯與各類纖維複合而成的一種智能多功能纖維新材料，具備超越國際先進水平的低溫遠紅外功能，集防靜電等作用於一身。
  • 水下持久氣泡輔助飛秒雷射微納米雙尺度複合織構
    Koji Sugioka）課題組長期致力於低環境負荷、高品質、高效率的極端製造工藝的開發。基於超快雷射尤其是飛秒雷射，已成功研發的技術包括：3D微/納米製造技術、大縱橫比加工技術、微納米雙尺度複合織構化技術，新型材料合成技術等，這些技術已經應用在生物晶片及高功能光子、電子微/納米器件製造中。
  • 靜電紡絲PEO-硫脲絡合物納米纖維中無序態I'的形成與相變
    在本研究中，通過靜電紡絲技術製備了PEO（聚環氧乙烷）-硫脲絡合物納米纖維，首次確認了一種新型晶體改性材料，稱為形態I'，是形態I的無序對應物。形態I』具有與形態I相同的硫脲摩爾分數（0.4），但是更無序且熱穩定性更差。
  • 綜述:原子層沉積和靜電紡絲法表面構建用於水處理的膜
    ：綜述：原子層沉積和靜電紡絲法表面構建用於水處理的膜DOI: 10.1039/C9EW01134J隨著水淨化技術的發展，膜法因其分離效率而備受關注。然而，膜汙染導致的低截留率和降低的通量仍然是其實際應用的巨大挑戰。因此，膜的表面改性被廣泛應用於提高膜法。
  • 熔體流動速率對雷射熔體靜電紡絲製備低密度聚乙烯納米纖維的影響
    聚合物納米纖維的最終功能和適用性主要取決於其直徑。本研究探討了低密度聚乙烯（LDPE）熔體流動速率（MFRs）對雷射熔體電紡納米纖維直徑的影響。將乙烯-乙烯醇（EVOH）共聚物添加到非極性LDPE中作為紡絲助劑。
  • 靜電紡絲構建消炎抗衰老的芹菜纖維面膜基布
    易絲幫訊 日前，哈工大機器人（山東）智能裝備研究院發明涉及一種芹菜纖維面膜基布及其製備方法，它屬於面膜基布製備領域。該發明將芹菜粉碎、過篩，製得芹菜乾粉用NaOH溶液浸泡，酶解，酶解後滅酶、過濾、濾渣洗滌烘乾粉碎製得芹菜纖維素加水，製成纖維漿，加入的N-甲基嗎啉-N-氧化物溶液，在70～80℃下緩慢攪拌後，然後在90～105℃，真空度為0 .095～0 .098MPa下攪拌2～5h使纖維素完全溶解，製得纖維素溶液，過濾脫泡後製得紡絲原液加入多針頭靜電紡絲箱中進行靜電紡絲，紡絲後真空乾燥，製得芹菜纖維氈用水刺加固，
  • 浙江大學徐志康教授課題組在氣-液界面輔助成膜領域取得新進展
    受中國傳統食物—豆皮製作工藝的啟發，浙江大學徐志康教授帶領的聚合物分離膜及其表界面工程課題組（SIEPM課題組）提出一種氣-液界面輔助的薄層複合納濾膜製備新方法。其特點在於：選擇性皮層在界面張力作用驅動下於氣-液界面處組裝生成，因此幾乎不受基膜的影響，從而極大地提升了複合納濾膜製備過程的可控性。以多酚/多胺體系為例，它們在空氣中氧化自聚生成兩親性類表面活性劑納米粒子，為了降低整體能量，納米粒子會自發在氣-液界面處定向組裝形成自支撐薄膜。該自支撐薄膜具有不對稱浸潤性的兩面神結構(或兩儀結構)，即疏水面朝向空氣、親水面朝向水溶液側。
  • 「技術創新」納米複合高分子材料及其製備方法
    納米材料能夠實現諸多方面的效應，主要包括表面效應、小尺寸效應以及量子尺寸效應等。與普通材料相比，納米複合材料性質較為獨特，具有優良的應用效果，是材料領域未來發展的方向。納米複合高分子材料由多個部分構成，分別為納米材料結構單元和有機高分子材料，經過複合後可形成納米複合高分子材料。其中的納米結構單元種類較多，如金屬外殼，陶瓷、高分子等。
  • 超靈敏且可重複使用的鈣鈦礦納米複合纖維紙,用於分辨單液滴檢測
    在這項研究中，通過微波和靜電紡絲法製備了一種可重複使用的鈣鈦礦型納米複合纖維紙，該試紙由高濃度固體聚合物纖維中原位生長的CsPbBr3量子點組成。RhoB用作樣本溶液，因為它是一種有害物質，但經常出現在印染廢水中或作為添加劑出現在食品中，並且傳統的檢測系統由於檢測靈敏度低，通常需要大量的樣本溶液（>1ml）才能濃縮達到更高濃度。
  • 複合納米纖維用於吸管尖端固相萃取草魚和鴨中的四環素類抗生素
    ：靜電紡絲製備共價有機骨架複合納米纖維，用於吸管尖端固相萃取草魚和鴨中的四環素類抗生素DOI:10.1016/j.chroma.2020.461098在當前的研究中，通過一種簡單的靜電紡絲方法，製備了一種新型共價有機框架COF-SCU1基電紡納米纖維（PAN@COF-SCU1納米纖維），並將其作為吸附劑用於食品中四環素類抗生素（TCs）的吸管尖端固相萃取（PT-SPE）。
  • 鋰離子電池隔膜的製備、性能測試、技術要求及研究基本現狀
    圖3 Separion隔膜SEM圖及結構示意圖3 納米纖維塗層隔膜納米纖維塗層隔膜是指將納米級纖維塗覆於基膜上，對現有隔膜或無紡布基布表面進行改性，一方面可以提高隔膜的耐高溫收縮性，另一方面可以提高電池隔膜的電極兼容性和粘結性，並增加了隔膜對電解液的吸收性和親和性。
  • 世名科技(300522.SZ):「納米顏料製備及原液著色溼法紡絲關鍵技術...
    格隆匯 12 月 14日丨世名科技(300522.SZ)公布，公司於近日收到中國紡織工業聯合會發布的《關於2020年度中國紡織工業聯合會科學技術獎勵的決定》，公司作為第一完成單位實施的「納米顏料製備及原液著色溼法紡絲關鍵技術項目」獲得「中國紡織工業聯合會科技進步獎一等獎」。
  • 新型促皮膚癒合生物材料:載條件培養基的靜電紡微納纖維膜促進皮膚修復
    我們利用微溶膠電紡絲和低溫凍幹技術製備了新型可控緩釋載脂肪幹細胞條件培養電紡絲生物材料。該條件培養基微納米纖維膜在體內外顯著促進傷口癒合和抑制膠原蛋白的過度沉積，顯示出了優越的促傷口癒合能力。該研究首次提出了載條件培養基生物材料的概念，並顯示出了其巨大的促再生修復潛能。間充質幹細胞具有抗炎，免疫調控，促細胞再生等生物效應，在再生醫學領域顯示出了極大的潛力。