东华大学丁彬教授团队：可扩展制造静电纺丝真纳米级纤维膜以实现有效的选择性分离
东华大学丁彬教授团队：可扩展制造静电纺丝真纳米级纤维膜以实现有效的选择性分离
东华大学纺织学院纺织科技创新中心丁彬教授团队在《Nano Letters》期刊上发表最新研究论文，提出了一种基于操纵静电纺丝喷射的拉伸变形和相分离平衡的电纺丝技术，能够制造出真正的纳米级纤维膜。这种膜在分离性能上表现出色，防水性达到113 kPa，透气性为4.1 kg m^-2 d^-1，过滤效率高达99.3%，压降为127.4 Pa，通量为81.5 kg m^-2 h^-1，盐排斥率更是达到了99.94%。
研究背景
电纺丝纤维因其能够分离两种或更多共存物种而被广泛应用于环境治理、医疗保健和能源等领域。然而，传统电纺丝纤维的直径通常在亚微米级别，导致制成的膜孔径大、分离效率低和渗透通量差。基于纳米纤维（如纳米线、纳米管和纳米棒）的分离膜因其纳米尺寸效应、小孔径和超薄厚度而在高效分离方面展现出巨大潜力。
研究方法
研究团队通过调控聚合物溶液中的电荷密度和相分离速率，实现了真正的纳米级纤维生产。选择了不同的溶剂系统（DMF、DMAc、DEF、DMSO）来优化电纺丝过程，使用DEF作为溶剂时能够制备出无珠状结构的真正纳米级纤维。利用SEM等技术对纳米纤维膜的形态、孔径大小和表面特性进行了详细的表征。通过分子模拟和相分离行为分析，研究了不同溶剂系统对电纺丝过程中相分离动力学的影响，以及这些动力学如何影响最终纤维的结构。对纳米纤维膜的防水性、透气性、机械强度、抗湿性、过滤效率等关键性能进行了测试，验证了其在防护纺织品、空气过滤和水净化等多个领域的应用潜力。
创新亮点
通过精细调控电纺丝过程中的拉伸变形和相分离平衡，电纺出直径约67纳米的真正纳米级纤维。所制备的纳米纤维膜在多个关键领域（防护纺织品、空气过滤和水净化）展现出良好的分离性能，包括高防水性、高透气性、高过滤效率和高盐排斥率。这种纳米纤维膜在防护纺织品领域可用于制作防水透气的服装和透明口罩，使穿着者有更好的热湿舒适性；在空气过滤领域，其高过滤效率和低压降特性使其成为理想材料，能够高透明度和高效率去除空气中颗粒物（如PM2.5和PM0.3）；在水净化领域，纳米纤维膜展现出高水通量和高盐排斥率，能够用于海水淡化和处理废水等，有助于解决全球水资源短缺问题。
图文解释
图 1. (a) 制造真纳米级纤维的示意图。 (b)静电纺丝过程中库仑斥力和粘性力两种主要力之间的竞争模型。系统地调整流体动力学和聚合物/溶剂/非溶剂的相互作用使带电射流能够充分拉伸并缓慢相分离以合成纳米纤维。
(c) SEM 图像展示了纳米纤维的结构。 (d) 显示纳米纤维膜超薄特性的横截面图像。纳米纤维与普通静电纺丝纤维（e）直径和（f）孔径的比较。纤维直接远小于常见的静电纺亚微米纤维，平均孔径为0.57 μm。
(g) 大尺寸纳米纤维膜的照片。 (h) 用于防护纺织品、海水淡化和空气过滤的膜的图像和示意图。
图 2. 由不同溶剂 (a) DMF、(b) DMAc、(c) DEF 和 (d) DMSO 制成的纤维膜的 SEM 图像。 (e) 不同膜的纤维直径比较。使用传统溶剂DMF、DMAc和DMSO制备的亚微米纤维直径较大，使用独特的DEF溶剂得到真正纳米级纤维（直径为67 nm）。
(f) PU/DEF 和 DEF/H2O 的分子模型和相互作用能。 (g) 不同溶液的 RT 随时间的偏差。 (h) 三维 (3D) 静电场（左）和带电射流的速度分布（右）。 (i) 电荷密度和粘度，(j) 模拟电场力 (F) 和各种溶液系统的喷射速度 (V)。
图3.比较(A)比表面积、(B)孔径分布和(C)由各种溶剂制成的膜的机械性能。(D)显示原位拉伸过程的扫描电子显微镜图像。(E)1000次加载−卸载纳米纤维膜的拉伸循环测量。(F)不同液体的膜的CA和静水压力。(G)不同湿度和温度下纳米纤维膜的水蒸气透过率。(H)膜的透湿性。(I)滑移效应示意图(左)和空气分子传输特性模拟(右)。
图4.(A)纳米纤维膜与商用膜的W&B性能比较。(B)热人体模型的数字图像(左)和纳米纤维膜和聚四氟乙烯纺织品的热湿舒适性(右)。(C)薄膜和聚四氟乙烯纺织品下的人体模型皮肤的表面温度。(D)纳米纤维膜与其他膜的海水淡化性能的比较。(E)膜的长期耐久性试验。(F)具有不同透过率的纳米纤维膜的照片。(G)纳米纤维膜的过滤性能。(H)分别戴着不透明口罩和透明口罩的面部识别照片。
总结
本文报道了一种通过精确控制电纺丝工艺制造出约67纳米直径的纳米级纤维膜的方法。这种膜由具有高电荷存储能力的前驱体溶液制成，展现了优异的物理性能，包括大比表面积（8.4 m²/g）、小孔径（0.57微米）、高拉伸强度（24.4 MPa）和强抗湿性。此外，该膜在多个应用中表现卓越：具有高静水压（113 kPa）、高水分透过率（4.1 kg/m²·d）、高过滤效率（99.3%）、低PM0.3去除率（<0.15%大气压力）以及高效的海水淡化性能（渗透通量81.5 kg/m²·h，脱盐率99.94%）。