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  近二十年來，靜電紡絲技術(shù)發(fā)展迅速，已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、柔性電子、高效催化、集成制造等各個領(lǐng)域。靜電紡絲用于防護薄膜的研究也已有20多年；近年來，基于新材料、仿生結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用的靜電紡絲技術(shù)在智能防護方面取得了長足的進步。目前，除了滿足市場需求外，具有防護等基本功能的保護膜也被賦予抗紫外線、抗菌、可穿戴能量等特性。并且，功能性防護產(chǎn)品的需求呈顯著增長趨勢。因此，對靜電紡絲防護薄膜在最近幾十年的回顧十分必要。

  靜電紡絲是一種重要的微/納米纖維加工技術(shù)，基于新型材料選擇和改性，仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計和多場合下的應(yīng)用回顧了多功能保護薄膜在近年來的發(fā)展。綜合來說，防護薄膜的重要綜合性能包括高透濕性、高耐靜水壓、事宜的機械強度，透氣性等等，最近幾十年來研究者們基于新型材料的組合包含不可降解/可降解材料和受自然啟發(fā)的功能結(jié)構(gòu)一直在平衡這些重要的綜合性能。目前，先進防護薄膜的研究主要集中在基于基礎(chǔ)的高性能防護薄膜，賦予其多功能特性，例如抗紫外線、抗菌和電磁屏蔽功能等等。（圖1）但是，一些重要的問題，例如靜電紡單絲性能，高固含量“綠色靜電紡絲溶液”的開發(fā)，以及親水層和疏水層之間附著力增強方法關(guān)注的還比較少�；谠摼C述，他們討論了靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展，提出了目前研究中存在的一些問題，最后草擬了一些解決這些潛在問題的方案和建議。這篇最新的關(guān)于靜電紡絲薄膜的報道將有助于促進保護膜的多元化發(fā)展，對制造具有智能防護的先進材料有指導(dǎo)意義。

圖1. 功能型性電紡防護纖維薄膜的構(gòu)建及其廣泛應(yīng)用

  目前，研究人員已經(jīng)對包括PVDF、PAN、PU、PLA等100多種天然/合成的材料進行了靜電紡絲研究（圖 2, 3, 4）；基于結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過靜電紡絲技術(shù)構(gòu)建了核殼、并列、分層和有趣的仿生結(jié)構(gòu)；基于各種應(yīng)用，如透氣性、防水性、速干功能，防護薄膜已經(jīng)再多個場景被制造和應(yīng)用。除了靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲所使用的相應(yīng)材料優(yōu)化和選擇正在逐漸從傳統(tǒng)的不可降解、含氟材料轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀画h(huán)境代謝的可降解材料；基于仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究人員對荷葉、北極熊毛發(fā)、植物結(jié)構(gòu)等進行了研究和模擬，加深了對超疏水、高效保溫、反重力輸水等原理認識（圖5）；基于保護膜的功能性設(shè)計，結(jié)合先進的納米技術(shù)，采用超疏水二氧化硅、二氧化鈦、碳納米管等材料，研究人員實現(xiàn)了防護薄膜的熱管理、抗菌、抗紫外線、抗紫外線、電磁屏蔽等系列化功能。因此，基于多種應(yīng)用的新材料和功能結(jié)構(gòu)的開發(fā)，保護膜越來越受到關(guān)注。

圖2. 基于PVDF的防護膜研究。A) PVDF單體，偏二氟乙烯；B) PVDF 聚合物分子鏈；C）超疏水PVDF防護膜的制備過程示；D) 和 E) 俯視圖和 F) PVDF 薄膜的橫截面；G) PVDF-TrFE過濾器用于增強顆粒物 (PM)1.0 的捕集；H）用于植物自供電可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的透氣膜示意圖。

圖3. 基于TPU的防護膜的研究。A) -OCO-NH-基團；B) 典型的PU聚合物分子蓮結(jié)構(gòu)；C)乳液靜電紡絲制備防水透濕紡織品意圖；D) 防水透濕性能演示圖；E) 疏液性演示；F) PU/C6FPU-2/MgCl2-3纖維膜的大尺寸樣品圖片。

圖4. 基于PAN的防護薄膜的研究。A) PAN的單體丙烯腈；B) PAN 的聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)圖；C) 雙層 PU/水解多孔聚丙烯腈 (HPPAN) 膜的制造示意圖和薄膜快干特性光學(xué)圖像；D) 雙面 PU/HPPAN 納米纖維復(fù)合膜單向水傳輸演示。

圖5. 功能性防護薄膜的仿生設(shè)計。A）荷葉的宏觀和微觀圖像，以及通過靜電紡絲制備的具有超疏水結(jié)構(gòu)的仿生荷葉薄膜；B) 空心結(jié)構(gòu)的熊毛和通過同軸靜電紡絲技術(shù)制備具有保溫性能的空心結(jié)構(gòu)納米纖維；C)鴨嘴結(jié)構(gòu)和用于單向水傳輸?shù)腻F形結(jié)構(gòu)的電紡薄膜；D) 基于植物蒸騰作用構(gòu)建的超快水傳輸和蒸發(fā)的仿生薄膜。

  然而，關(guān)于靜電紡絲技術(shù)的一些限制仍然沒有得到足夠的重視。隨著先進材料和靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲產(chǎn)業(yè)化過程中的綠色材料設(shè)計、環(huán)保加工管控、高效生產(chǎn)是未來的發(fā)展趨勢。目前的研究還缺乏對高濃度綠色溶劑靜電紡絲溶液的關(guān)注；基于電紡纖維層狀結(jié)構(gòu)易剝離的問題，需要進一步研究通過物理、化學(xué)或相應(yīng)的后處理技術(shù)提高親水層和疏水層之間的有效粘合；基于電紡納米纖維的特性，目前還缺乏對電紡纖維單絲性能的系統(tǒng)性研究。在未來，這些更多基于電紡溶液，結(jié)構(gòu)粘結(jié)，和單絲性能的研究可以為防護薄膜靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展提供堅實的基礎(chǔ)。

  綜上所述，近20年來，靜電紡絲技術(shù)在材料、結(jié)構(gòu)和多功能方面得到了很好的發(fā)展。所制備的多功能防護膜已廣泛應(yīng)用于個人防護、高端運動、特種作戰(zhàn)服等領(lǐng)域。然而，基于綠色加工、多層設(shè)計和單絲性能的系統(tǒng)性研究鮮有報道。他們詳細通過新材料的開發(fā)、仿生技術(shù)的發(fā)展、先進檢測技術(shù)的進步，靜電紡絲技術(shù)存在的這些問題將被一一克服。未來，高性能、多功能靜電紡絲保護膜的開發(fā)，可為電子皮膚、智能穿戴、高端生物醫(yī)藥、未來集成制造等領(lǐng)域做出重大貢獻。

  以上成果以“Recent Progress in Protective Membranes Fabricated Via Electrospinning: Advanced Materials, Biomimetic Structures, and Functional Applications”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202107938