香港城市大学胡金莲教授/华中科技大学瞿金平院士 AM：静电纺丝制备防护膜的最新进展 - 先进材料、仿生结构和功能应用

点击上方“蓝字” 一键订阅

近二十年来，静电纺丝技术发展迅速，已应用于生物医学、柔性电子、高效催化、集成制造等各个领域。静电纺丝用于防护薄膜的研究也已有20多年；近年来，基于新材料、仿生结构和功能应用的静电纺丝技术在智能防护方面取得了长足的进步。目前，除了满足市场需求外，具有防护等基本功能的保护膜也被赋予抗紫外线、抗菌、可穿戴能量等特性。并且，功能性防护产品的需求呈显着增长趋势。因此，对静电纺丝防护薄膜在最近几十年的回顾十分必要。

静电纺丝是一种重要的微/纳米纤维加工技术，基于新型材料选择和改性，仿生结构设计和多场合下的应用回顾了多功能保护薄膜在近年来的发展。综合来说，防护薄膜的重要综合性能包括高透湿性、高耐静水压、事宜的机械强度，透气性等等，最近几十年来研究者们基于新型材料的组合包含不可降解/可降解材料和受自然启发的功能结构一直在平衡这些重要的综合性能。目前，先进防护薄膜的研究主要集中在基于基础的高性能防护薄膜，赋予其多功能特性，例如抗紫外线、抗菌和电磁屏蔽功能等等。（图1）但是，一些重要的问题，例如静电纺单丝性能，高固含量“绿色静电纺丝溶液”的开发，以及亲水层和疏水层之间附着力增强方法关注的还比较少。基于该综述，他们讨论了静电纺丝技术的发展，提出了目前研究中存在的一些问题，最后草拟了一些解决这些潜在问题的方案和建议。这篇最新的关于静电纺丝薄膜的报道将有助于促进保护膜的多元化发展，对制造具有智能防护的先进材料有指导意义。

图1. 功能型性电纺防护纤维薄膜的构建及其广泛应用

目前，研究人员已经对包括PVDF、PAN、PU、PLA等100多种天然/合成的材料进行了静电纺丝研究（图 2, 3, 4）；基于结构设计，通过静电纺丝技术构建了核壳、并列、分层和有趣的仿生结构；基于各种应用，如透气性、防水性、速干功能，防护薄膜已经再多个场景被制造和应用。除了静电纺丝技术的发展，静电纺丝所使用的相应材料优化和选择正在逐渐从传统的不可降解、含氟材料转变为可被环境代谢的可降解材料；基于仿生结构设计，研究人员对荷叶、北极熊毛发、植物结构等进行了研究和模拟，加深了对超疏水、高效保温、反重力输水等原理认识（图5）；基于保护膜的功能性设计，结合先进的纳米技术，采用超疏水二氧化硅、二氧化钛、碳纳米管等材料，研究人员实现了防护薄膜的热管理、抗菌、抗紫外线、抗紫外线、电磁屏蔽等系列化功能。因此，基于多种应用的新材料和功能结构的开发，保护膜越来越受到关注。

图2. 基于PVDF的防护膜研究。A) PVDF单体，偏二氟乙烯；B) PVDF 聚合物分子链；C）超疏水PVDF防护膜的制备过程示；D) 和 E) 俯视图和 F) PVDF 薄膜的横截面；G) PVDF-TrFE过滤器用于增强颗粒物 (PM)1.0 的捕集；H）用于植物自供电可持续农业系统的透气膜示意图。

图3. 基于TPU的防护膜的研究。A) -OCO-NH-基团；B) 典型的PU聚合物分子莲结构；C)乳液静电纺丝制备防水透湿纺织品意图；D) 防水透湿性能演示图；E) 疏液性演示；F) PU/C6FPU-2/MgCl2-3纤维膜的大尺寸样品图片。

图4. 基于PAN的防护薄膜的研究。A) PAN的单体丙烯腈；B) PAN 的聚合物分子链结构图；C) 双层 PU/水解多孔聚丙烯腈 (HPPAN) 膜的制造示意图和薄膜快干特性光学图像；D) 双面 PU/HPPAN 纳米纤维复合膜单向水传输演示。

图5. 功能性防护薄膜的仿生设计。A）荷叶的宏观和微观图像，以及通过静电纺丝制备的具有超疏水结构的仿生荷叶薄膜；B) 空心结构的熊毛和通过同轴静电纺丝技术制备具有保温性能的空心结构纳米纤维；C)鸭嘴结构和用于单向水传输的锥形结构的电纺薄膜；D) 基于植物蒸腾作用构建的超快水传输和蒸发的仿生薄膜。

然而，关于静电纺丝技术的一些限制仍然没有得到足够的重视。随着先进材料和静电纺丝技术的发展，静电纺丝产业化过程中的绿色材料设计、环保加工管控、高效生产是未来的发展趋势。目前的研究还缺乏对高浓度绿色溶剂静电纺丝溶液的关注；基于电纺纤维层状结构易剥离的问题，需要进一步研究通过物理、化学或相应的后处理技术提高亲水层和疏水层之间的有效粘合；基于电纺纳米纤维的特性，目前还缺乏对电纺纤维单丝性能的系统性研究。在未来，这些更多基于电纺溶液，结构粘结，和单丝性能的研究可以为防护薄膜静电纺丝技术的发展提供坚实的基础。

综上所述，近20年来，静电纺丝技术在材料、结构和多功能方面得到了很好的发展。所制备的多功能防护膜已广泛应用于个人防护、高端运动、特种作战服等领域。然而，基于绿色加工、多层设计和单丝性能的系统性研究鲜有报道。他们详细通过新材料的开发、仿生技术的发展、先进检测技术的进步，静电纺丝技术存在的这些问题将被一一克服。未来，高性能、多功能静电纺丝保护膜的开发，可为电子皮肤、智能穿戴、高端生物医药、未来集成制造等领域做出重大贡献。

以上成果以“Recent Progress in Protective Membranes Fabricated Via Electrospinning: Advanced Materials, Biomimetic Structures, and Functional Applications”为题，发表在Advanced Materials上。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202107938

相关进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多