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

2021-01-20 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

  • 技術研究:靜電紡絲技術製備碳納米纖維
    由於碳纖維具有導電性，其作為複合材料和電極中的增強材料應用於很多方面，將其尺寸縮小至納米級可能會提高其性能並開闢新的應用[Mao等2013]。靜電紡絲是紡絲聚合物溶液形成納米纖維的簡單方法，由於碳纖維通常由碳化聚合物製備，因此，靜電紡絲是製備用於碳化的聚合物納米纖維的有效方法。
  • 我國科學家製備出多尺度螺旋結構的導電材料/聚合物複合材料
    中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室柔性材料、結構與器件力學課題組與北京航空航天大學合作，設計並製備出具有多尺度螺旋結構、大變形能力以及高穩定性的導電材料（碳納米管CNTs）/聚合物（聚氨酯PU）複合材料。該研究從理論和實驗上證實微/納米多尺度結構耦合作用對材料力學性能的增強效應。
  • 靜電紡絲納米纖維:「萬能」的薄膜
    原標題：靜電紡絲納米纖維：「萬能」的薄膜 納米纖維產品展室 納米纖維防護口罩 　　文·本報記者 滕繼濮 　　當李從舉把一大卷一米寬, 　　另外，電紡絲納米纖維無紡膜具有高孔隙率、低滲透阻力的特點，可以製成高通量、低能耗的可攜式超濾膜紡織品（如手絹），用於戶外快速淨水，為軍隊訓練、作戰、森林救火、旅遊、野外作業、探險、礦業等快速提供清潔水源，做好後勤保障。 　　還有，有些被開發出來的應用，甚至連李從舉都沒有想到過。在他看來，一定還會有。
  • 【新刊導讀】上海理工大學餘燈廣教授Mate.Highlight:多流體電紡絲的發展及其生物應用
    靜電紡絲製備的納米纖維膜已被廣泛應用於組織工程、傷口敷料、生物傳感、生物醫用、功能性紡織品等領域。然而，傳統流體電紡只能製備均一結構納米纖維，限制電紡工藝的外延應用拓展，具有複雜結構和多功能的納米纖維正在引起越來越多的關注。近日，上海理工大學材料科學與工程學院餘燈廣教授團隊和University College London 的Gareth R.
  • 文章薦讀 | 多流體電紡絲的發展及其生物應用
    靜電紡絲製備的納米纖維膜已被廣泛應用於組織工程、傷口敷料、生物傳感、生物醫用、功能性紡織品等領域。然而，傳統流體電紡只能製備均一結構納米纖維，限制電紡工藝的外延應用拓展，具有複雜結構和多功能的納米纖維正在引起越來越多的關注。近日，上海理工大學材料科學與工程學院餘燈廣教授團隊和University College London 的Gareth R.
  • 石墨烯複合纖維及紡織品的製備方法與研究進展
    石墨烯是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，被稱為「新材料之王」。　　作為具優異性能和獨特結構的新型碳材料—石墨烯在眾多科學領域的被廣泛關注和應用。近幾年，石墨烯在紡織領域得到較為廣泛的應用，逐漸成為紡織纖維領域的研究熱點，特別是功能性紡織品的研究中也得到了諸多應用。本文主要介紹了新型石墨烯複合纖維與石墨烯紡織品的製備方法，石墨烯紡織品的性能及其發展趨勢。
  • 微流體靜電紡絲法製備硼－碳異質納米片纖維織物電極
    微流體靜電紡絲法製備硼－碳異質納米片纖維織物電極近年來，隨著科學的發展與技術的不斷變革，智能可穿戴設備成為研究熱點之一。為滿足可穿戴電子產品的供電需求，新能源存儲技術在高端智能化可穿戴設備行業的應用備受關注。
  • 北京大學劉永暢&李平綜述鈉離子電池中靜電紡絲電極材料研究進展
    靜電紡絲作為一種簡單、通用、經濟的技術，可以實現結構可控、形貌均勻的一維納米材料的合成。更重要的是，通過靜電紡絲製備的一維納米材料通常會連接成一個三維網絡，這將大大提高結構的穩定性，有利於離子/電子的傳輸。靜電紡絲這些獨特優勢，在過去十年中，與靜電紡絲SIBs電極材料相關的文獻數量有了很大的增長（表1）。
  • 過程工程所在卷式靜電紡絲納米纖維膜研究方面取得進展
    靜電紡絲是一種製備納米纖維的重要手段，在空氣淨化、電池隔膜和生物醫學方面有重要應用。
  • 楊傳芳小組以靜電紡絲技術製備水過濾膜—新聞—科學網
    本報訊 靜電紡絲是一種製備納米纖維的重要手段，在空氣淨化、電池隔膜和生物醫學方面有重要應用。
  • 電紡苦瓜摻雜聚乙烯醇(PVA)納米纖維的製備及其抗菌應用
    ：電紡苦瓜摻雜聚乙烯醇（PVA）納米纖維的製備及其抗菌應用DOI:10.1016/j.mtcomm.2020.101161苦瓜（MC）是糖尿病患者的自然藥物。鑑於MC寶貴和多產的特點，作者在靜電紡絲過程中將苦瓜提取物與聚乙烯醇（PVA）結合使用，並對其進行表徵，為進一步的研究奠定了基礎。
  • Commun:靜電紡絲納米纖維上自發形成納米顆粒
    如果沒有低價而高效的製造納米級物體，納米技術的前景就無法實現，而這些納米級物體必須進一步防止其聚集。對於納米顆粒來說尤其如此，與普通顆粒不同，其具有特殊的光學、電子、磁性或催化特性。在電紡絲纖維中加入功能性納米粒子是電紡絲研究的一個熱門課題。
  • 南工大陳蘇團隊《德國應化》：微流體靜電紡絲法構築新型硼-碳納米纖維
    針對上述科學問題，南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室、化工學院陳蘇教授、武觀副教授等人，在國家自然科學基金的資助下，從設計硼納米片有序納微結構入手，以高效促進離子遷移、累積和電子傳導為目標，利用微流體靜電紡絲技術（微流體靜電紡絲機由南京捷納思新材料有限公司提供），製備各向異性的硼-
  • SCMs|紡錘狀纖維結構的設計及其PM2.5過濾性能
    城市霧霾，特別是其中的PM2.5顆粒(當量直徑≤2.5 μm)，因其自身危害及其攜帶的病原體對公共健康具有嚴重威脅而被人們廣泛關注。
  • 浙大:靜電紡絲PVDF/石墨烯納米纖維用於高性能摩擦納米發電機
    作者利用旋塗技術或靜電紡絲技術分別製備了PVDF/graphene (PVDF/G) 納米纖維膜，並基於PVDF/G纖維膜構築摩擦納米發電機。　　聚偏氟乙烯（PVDF）是一種鐵電聚合物，其β相PVDF具有高電子親和力、大的自發極化和優異的極化穩定性，是一種優異的TENGs摩擦電材料。
  • Matter| 靜電紡絲的下一步發展是什麼?
    靜電紡絲（Electrospinning, ES）是一種功能強大、可擴大化的合成技術，能夠生產直徑從納米到微米範圍的聚合物纖維，已被廣泛研究並成功應用了100多年。21世紀以來，隨著納米技術重要性的日益增加，電紡技術受到了科學界和工程界的極大關注。簡單來說，靜電紡絲是一種通過靜電力將帶電的聚合物熔體拉成纖維的技術。
  • 探討靜電紡絲技術的研究進展
    [導讀]摘要：靜電紡絲工藝是目前能夠直接、連續製備聚合物納米纖維的方法，具有工藝簡單、操作方便、製造速度快等優點 　　佛山輕子精密測控技術有限公司 528225 　　摘要：靜電紡絲工藝是目前能夠直接、連續製備聚合物納米纖維的方法，具有工藝簡單、操作方便、製造速度快等優點，在醫學和環保等領域有廣泛應用。
  • 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。
  • 盤點生物降解性高分子靜電紡絲材料在生物醫用領域的應用
    目前在生物醫學領域應用佔絕對優勢的是生物降解性高分子，通過靜電紡絲製備成納米纖維，可用於組織工程支架材料、新型藥物釋放載體以及納米模板材料等領域。作為結構最簡單的線型脂肪族聚酯，PGA 是體內可吸收高分子最早商品化的一個品種，早在1970年，PGA 醫用縫合線已經商品化（商品名Dexon）。目前已經商品化的PGA纖維都是採用熔融擠出的方法獲得，利用靜電紡絲來製備PGA 納米纖維有兩個困難，首先PGA的熔點較高和熱可降解性，使其難以採用熔體靜電紡絲方法製得；其次PGA不溶於常規的有機溶劑，溶液的紡絲溶劑可選擇範圍窄，難以尋找到合適的溶劑。
  • 天津工業大學:聚乳酸/石墨烯電紡複合納米纖維的穿戴式傳感器
    本文要點：通過靜電紡絲製備具有各種石墨烯含量的PLLA /石墨烯複合納米纖維，進行生物電子皮膚的性能測試和應用探索成果簡介 本文，天津工業大學張興祥教授團隊在《Energy Technology》期刊發表名為「PolylLactic Acid/Graphene Electrospun Composite Nanofibers for Wearable Sensors」的論文，研究通過靜電紡絲製造聚乳酸（PLLA）/石墨烯複合納米纖維。