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静电纺丝技术领域取得重要突破。团队开发了一种新型电纺丝技术，能够制造出直径仅为67纳米的真正纳米级纤维膜。这种纤维膜在防水性、透气性、过滤效率等多个关键性能指标上均表现出色，具有广泛的应用前景。

研究背景

电纺丝纤维因其出色的分离性能，在环境治理、医疗保健和能源等领域得到广泛应用。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）的分离膜则展现出巨大的潜力，其纳米尺寸效应、小孔径和超薄厚度使其在高效分离方面具有明显优势。

研究方法

丁彬教授团队通过调控聚合物溶液中的电荷密度和相分离速率，实现了真正纳米级纤维的生产。研究团队选择了不同的溶剂系统（DMF、DMAc、DEF、DMSO）来优化电纺丝过程，发现使用DEF作为溶剂时能够制备出无珠状结构的真正纳米级纤维。

通过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。同时，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。

创新亮点

团队通过精细调控电纺丝过程中的拉伸变形和相分离平衡，成功电纺出直径约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展现出良好的分离性能，包括：

• 防水性：113 kPa
• 透气性：4.1 kg m^-2 d^-1
• 过滤效率：99.3%
• 压降：127.4 Pa
• 通量：81.5 kg m^-2 h^-1
• 盐排斥率：99.94%

应用前景

这种纳米纤维膜在多个领域展现出广阔的应用前景：

• 防护纺织品：可用于制作防水透气的服装和透明口罩，提高穿着者的热湿舒适性，同时透明口罩还允许面部识别技术的正常工作。
• 空气过滤：高过滤效率和低压降特性使其成为空气过滤领域的理想材料，能够有效去除PM2.5和PM0.3等颗粒物。
• 水净化：在水净化领域展现出高水通量和高盐排斥率，有助于解决全球水资源短缺问题。

图文解释

图 1. 制造真纳米级纤维的示意图。

• (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之间的竞争模型。
• (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。
• (e) (f) 纳米纤维与普通静电纺丝纤维的直径和孔径比较。
• (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。

总结

这项研究开发了一种通过精确控制电纺丝工艺制造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，具有广泛的应用前景。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04667