张国柱北航赵勇教授、王女副教授课题组:静电纺丝制备多级结构微-纳米复合纤维及其应用-高分子科学前沿

北航赵勇教授、王女副教授课题组:静电纺丝制备多级结构微/纳米复合纤维及其应用-高分子科学前沿

自然界中的很多生物都具有超浸润表面,如具有“自清洁”效应的荷叶表面、水黾腿和鸟类的羽毛表面等都具有超疏水的性质。受自然启发,在过去的几十年中,科学家利用多种方法实现了超浸润表面材料的制备。其中静电纺丝技术由于特殊的多级微/纳米复合结构和灵活的材料组成,提供了一种制备超浸润表面的有效途径。近日,北京航空航天大学赵勇教授、王女副教授课题组就静电纺丝制备多级结构微/纳米复合纤维,及其在自清洁、油水分离、乳液分离、有机液体分离、定向集水、液体单向透过和智能相应材料等多种领域的应用作了深入研究,并取得进展。博士研究生侯兰兰为第一作者,赵勇教授、王女副教授为通讯作者,北航为第一通讯单位,相关工作发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials 2018, 1801114罗梓琳, DOI: 10.1002/adfm.201801114.

图1. 静电纺丝制备多级结构微纳米复合纤维及其应用
1. 静电纺丝制备多级结构微/纳米纤维

图2. 电纺多级结构微纳米纤维形貌图
静电纺丝技术是一种利用静电拉伸制备直径范围在几纳米到几微米之间的超细纤维的技术。通过调控静电纺丝过程中的实验参数,如溶液性质、施加电压和环境参数等,可以制备具有多种结构的电纺纤维,实现外部形貌和内部形貌的调控。如图2所示包括最常见的圆柱形纤维、扁平带状纤维、纺锤节纤维和表面多孔纤维;通过调节纺丝喷头还可以实现“肩并肩”纤维的制备;利用与其它后处理方法相结合还可以得到表面具有纳米针刺结构的多级纤维;以及内部中空、多通道、管套线、多壁结构、囊泡结构和“豌豆状”的多级结构电纺纤维。
2. 仿生超浸润电纺材料表面

图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论研究;以及液滴在(d) 一维单根静电纺丝纳米纤维,(e) 二维静电纺丝超疏水平面和 (f) 具有结构梯度的纤维表面的浸润行为研究

图4. 生物表面启发的仿生电纺超疏水表面
经过数百万年的进化,自然界生物趋于完美的超浸润性能为设计和制造特殊湿润性表面提供了新策略。受自然启发,利用静电纺丝形貌可控和材料组成可调的特性,通过形貌和性能模仿,研究者们已经成功制备出多种仿生超浸润表面材料。图4中所示为电纺技术制备的仿生超疏水表面:仿荷叶超疏水自清洁表面,玫瑰超疏水高粘附表面,具有图案化亲水/疏水结构的沙漠甲壳虫背部,银叶菊疏水表面,具有刚毛结构的超疏水水黾腿,以及鸭子的扇形超疏水羽毛表面。

图5. 电纺超疏油材料表面
相比于超疏水表面,空气超疏油材料的难点在于有机液体的表面张力比水低得多,这意味着需要探索具有更低表面自由能的材料。考虑化学组成和材料表面粗糙度的影响,通过改变电纺材料的表面曲率制备了空气超疏油的表面(图5a, b)。赵勇教授课题组利用静电纺丝法制备了疏液范围可调的超疏油表面,并取得了进展(图5c, d Lanlan Hou et al., NPG Asia Materials 2016伊路德人,8, e334.)。利用同轴纺丝法制备了超疏水超疏油表面(图5e, f)。此外通过水凝胶或其它亲水的材料修饰是制备水下超疏油表面的另一思路。

图6. 电纺超亲水材料表面
超亲水表面的研究相比于对超疏液表面的研究较少。对于大部分多孔的亲水介质来说,液滴会立即被表面吸收而不是发生铺展,这对于“超亲水”的定义是不太准确的。材料的表面能大于水的表面张力,液滴自发铺展的表面可以称为超亲水表面詹静微博。通过化学改性和直接制备等方法可以得到具有亲水性质的纳米纤维材料。超亲水表面在水过滤方面有重要应用。
3. 静电纺丝超浸润纤维材料的应用
任何一项新的材料科学的发展总要经历性能研究和功能探索两个阶段。静电纺丝纳米纤维因为其通常具有较大的比表面积、高孔隙率、优异的柔韧性和较小的纤维间孔径等独特的性能祁东房产网,张国柱使其在选择性液体混合物分离、集水、单向渗透以及智能可控润湿性材料等领域发挥重要用。赵勇教授课题组在这方面做了大量工作(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.,展红绫 Journal of Materials Chemistry A 2017, 5, 16134; Shanshan Qiu et al., RSC Advances 2017, 7,19434)。

图7. “吸收型”电纺油水分离材料
海上石油泄漏事故的发生带来了大面积的污染和生态环境的巨大破坏,吸油材料因其在海上意外溢油的快速处理方面的独特优势而备受关注。吸油材料通常要求满足以下几个条件:(i)吸油量大;(ii)吸油速度快;(iii)大量廉价易制备胡布内尔。因此静电纺丝成为吸油材料的重要选择。图7展示了静电纺丝材料在吸油中的良好吸油性能。除了“吸收型”油水分离材料,“过滤性”油水分离材料同样具备优异的油水分离效率,同时表现出良好的分离性能和分离通量(图8)仙途剑修 。

图8. “过滤性”电纺油水分离材料

图9. 静电纺丝材料用于混合有机液体分
当前龚雪近况,混合有机液体的分离是与资源循环利用、化工产品分离和环境保护密切相关的一个重要问题。在石化工业,食品绝世夜凰,医疗,纺织印刷以及日常生活中的过程中会产生大量的油性液体,如果得不到妥善处理会带来巨大的环境污染和资源浪费。通过液体在材料上的润湿性差异已经实现了不混溶的有机液体混合物的分离。利用膜材料对较高表面张力液体表现出超疏性质,而对较低表面张力液体表现出超亲性质沈星辰,进而实现分离(图9)。

图10. 静电纺丝材料在乳液分离中的应用
除游离油滴之外,乳化的油/水混合物,尤其是表面活性剂稳定的乳液更难以分离。研究表明“润湿效应”和“筛分效应”是乳液分离的两个关键因素。具有超润湿性的多孔电纺过滤纤维膜材料恰好满足这两个要求,因此成为乳液分离膜的有利选择(图10)。

图11. 静电纺丝纤维用于集水
在拉普拉斯压力作用下全职位面商,液滴在锥形材料表面倾向于从曲率半径小的地方向曲率半径大的地方运动。利用电纺材料的结构梯度和表面能差异实现了液滴的定向收集(图11)。水滴在具有相反浸润性质的超疏水/超亲水不对称表面可以从疏水方向向亲水方向运输,而在反方向则别拦截。液滴单方向渗透的行为,实现了液体“二极管”的功能(图12)。对有机液体的单方向渗透操纵进一步拓展了该研究,相关工作取得了一定成果。

图12. 静电纺丝纤维用于液体单向渗透

图13. 静电纺丝智能响应材料
静电纺丝智能响应材料可以根据环境中条件的改变而作出反应,如温度、光照、pH值和离子强度等,进而该变材料的表面润湿行为。由于材料的可选择面广,制备简单,静电纺丝已成为制备智能响应润湿性材料的非常有吸引力的方法,图13中所示分别为利用静电纺丝技术实现温度响应、紫外响应和其它外界条件刺激响应的表面制备报道。
文章链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801114

来源:高分子科学前沿
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