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
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 Materials2018, 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濕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 Materials2016,8, 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濕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 & Interfaces2012, 4, 3207; Jing Wu et al.,Soft Matter2012, 8,5996; Jing Wu et al.,Nanoscale2016, 7, 2625; Lanlan Hou et al.,NPG Asia Materials2016, 8, e334; Yuanyuan Zhang et al.,Journal of Materials Chemistry A2017, 5, 16134; Shanshan Qiu et al.,RSC Advances2017, 7,19434）。
圖7. 「吸收型」電紡油水分離材料
海上石油泄漏事故的發生帶來了大面積的污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污染和資源浪費。通過液體在材料上的潤濕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
除遊離油滴之外，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「潤濕效應」和「篩分效應」是乳液分離的兩個關鍵因素。具有超潤濕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濕行為。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濕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道。
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801114
來源：高分子科學前沿
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