近日，東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士及丁彬教授帶領(lǐng)的納米纖維研究團隊在高分子材料成型加工領(lǐng)域取得了重要進展，提出了一種高分子網(wǎng)狀纖維材料的新型加工技術(shù)——“靜電噴網(wǎng)”。該研究以《靜電噴網(wǎng)法制備高性能二維自組裝納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料》(Direct Electronetting of High-Performance Membranes Based on Self-Assembled 2D Nanoarchitectured Networks)為題發(fā)表于Nature子刊《自然·通訊》(Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-09444-y)上。東華大學(xué)系該論文唯一單位，東華大學(xué)材料學(xué)院11級博士畢業(yè)生張世超（現(xiàn)為美國西弗吉尼亞大學(xué)博士后）為該論文第一作者。
近年來，二維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料在環(huán)境防護、電子器件、生物工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景�，F(xiàn)有納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料通常由一維納米纖維材料（直徑<100nm，如納米管、納米線等）作為構(gòu)筑單元組裝而成，然而該構(gòu)筑單元普遍存在連續(xù)性差的問題，導(dǎo)致其聚集體材料面臨結(jié)構(gòu)難以精確調(diào)控、固有納米特性難以保持等局限性，嚴重限制了材料應(yīng)用性能的大幅提升。
針對上述問題，研究團隊提出了一種將高分子量、低濃度聚合物溶液直接噴射形成二維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料的新技術(shù)，并將其命名為“靜電噴網(wǎng)”。通過優(yōu)化溶液本體特性，控制泰勒錐尖端荷電流體噴射模式，獲得了高壓電場中均勻懸浮分布的荷電液滴簇，進而通過調(diào)控收集器耦合誘導(dǎo)微電場的分布狀態(tài)，實現(xiàn)了荷電液滴的形變\相變\自組裝的精確調(diào)控，獲得了纖維直徑10-40 nm的二維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料（納米蛛網(wǎng)），并成功實現(xiàn)了蛛網(wǎng)制備原料種類的有效拓展，目前已成功制備了PVDF、PAN、carbon、TiO2等多種有機/無機納米蛛網(wǎng)材料。
（圖1 二維納米蛛網(wǎng)材料的設(shè)計與開發(fā)（a）靜電噴網(wǎng)技術(shù)示意圖，（b）泰勒錐尖端受力分析，（c）接收器耦合誘導(dǎo)電場分布，（d）荷電液滴微電場形變，（e）電勢vs位置分布曲線）
二維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅賦予了材料孔徑�。�200-300 nm）、比表面積大（30-70 m2 g-1）、孔隙率高（99.25%）等納米特性，同時顯著增強了材料的選擇潤濕性、機械性能以及透光性能，所得納米蛛網(wǎng)材料在空氣過濾、液體分離、生物防護等領(lǐng)域均體現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用潛力。其中，超薄PVDF納米蛛網(wǎng)高透光材料（透光性>95%）可有效過濾空氣中超細顆粒物PM0.3，過濾效率達99.86%，空氣阻力僅~30 Pa。PAN納米蛛網(wǎng)材料因具有超親水且快速滲透特性，與常規(guī)液體過濾材料相比，在具有相同過濾效率（99.92%）時，滲透通量提高了一個數(shù)量級（3550±275 L m-2 h-1）。此外，經(jīng)碳化或煅燒處理后獲得的碳基與TiO2基納米蛛網(wǎng)材料，也分別展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性能與生物防護特性。
（圖2 二維納米蛛網(wǎng)材料的多功能應(yīng)用（a）空氣過濾性能，（b）透光性能，（c）液體分離性能，（d）過濾循環(huán)再生性能，（e）導(dǎo)電性能，（f）生物防護性能）
該工作不僅提出了一種新型的電流體動力加工技術(shù)，制備出了高性能、多功能的二維納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料，也為下一代先端納米纖維材料的設(shè)計與開發(fā)提供了指導(dǎo)與借鑒。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科委項目的大力資助。
- 杭師大黃又舉教授在高分子精準調(diào)控納米金粒子宏觀二維自組裝方面取得系列進展 2020-07-15
