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南工陳蘇教授團(tuán)隊(duì) JPS 封面論文：微流控紡絲化學(xué)及應(yīng)用
2023-11-09  來源：高分子科技

  近來，微納纖維以其優(yōu)異納米尺度效應(yīng)、高比表面積及豐富多孔結(jié)構(gòu)在醫(yī)學(xué)、航天環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用，成為當(dāng)今先進(jìn)材料極具挑戰(zhàn)的前沿方向之一。其均勻的微納尺寸被認(rèn)為是一種成本低廉且易于操縱的微反應(yīng)器。2019年，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院陳蘇教授團(tuán)隊(duì)提出微流控紡絲化學(xué)（Fiber Spinning Chemistry （FSC））的概念（Adv. Sci. 2019, 6(22), 1901694），即在微流控紡絲過程中，以微納纖維為載體，借助微流控芯片，將反應(yīng)物在紡絲過程中原位發(fā)生反應(yīng)生成納米纖維雜化材料，利用微納纖維納米反應(yīng)器的限域效應(yīng)，可以方便的制備出先進(jìn)的納米材料，此類納米材料不易團(tuán)聚，制備過程無廢水產(chǎn)生，是一條方便綠色合成納米材料的方法，受到廣泛關(guān)注。


  南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院陳蘇教授團(tuán)隊(duì)率先開展微流控紡絲研究工作，在此領(lǐng)域長期研究的基礎(chǔ)上，撰寫了微流控紡絲化學(xué)及應(yīng)用的綜述，全面總結(jié)了先進(jìn)FSC策略與應(yīng)用。尤其重點(diǎn)討論了微流控芯片在FSC過程中的調(diào)節(jié)作用。此外，還總結(jié)了FSC策略在熒光納米材料合成、多維纖維非織造布和全天候智能紡織品方面的應(yīng)用。 


圖1. 紡絲化學(xué)的原理、策略和應(yīng)用示意圖。


  該文章以“Recent advances in microfluidic fiber-spinning chemistry（DOI: 10.1002/pol.20230527）”為題發(fā)表在期刊《Journal of Polymer Science》上。南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生宋研為第一作者，南京工業(yè)大學(xué)陳蘇教授、于曉晴博士后為通訊作者。


微流控紡絲化學(xué)的分類


  微流控技術(shù)是一項(xiàng)能夠?qū)ξ⑿屯ǖ乐械牧黧w進(jìn)行精確和系統(tǒng)操控的先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)能夠在微平臺上靈活組合多功能組件，在微流控芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)微流控紡絲化學(xué)反應(yīng)，與傳統(tǒng)紡絲方法相比，此紡絲過程不再是一種物理牽伸的過程，而是一個(gè)紡絲化學(xué)的過程，因此賦予了纖維的多功能與變化性，且具有反應(yīng)過程連續(xù)且高度可控、安全可靠、綠色環(huán)保和易放大等優(yōu)勢。


  FSC策略通過在紡絲過程中使用微/納米纖維作為化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)纖維的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能多樣性，極大地豐富了納米纖維紡絲過程中組成、形態(tài)和結(jié)構(gòu)調(diào)控的內(nèi)涵。根據(jù)微流控紡絲工藝與FSC的結(jié)合，可分為微流控FSC、微流控靜電FSC和微流控氣噴FSC策略。


圖2 微流體紡絲FSC策略


圖3 微流體靜電紡絲FSC


圖4 微流體氣噴紡絲FSC策略

微流控紡絲化學(xué)芯片的設(shè)計(jì)


  微流控芯片使化學(xué)反應(yīng)在有限的空間和溫和的條件下進(jìn)行，不僅避免了大量有毒溶劑的使用，還減少了廢產(chǎn)物的生成及能源消耗。同時(shí)，微流控芯片可用于精確控制超細(xì)纖維中各反應(yīng)物組成及產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)與形態(tài)。優(yōu)勢在于可以靈活組合、可規(guī)模化集成，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的微型化、連續(xù)化、自動化和并聯(lián)規(guī)；。微流控芯片已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學(xué)、食品和商品檢驗(yàn)、軍事科學(xué)和航空航天科學(xué)等重要領(lǐng)域。該文重點(diǎn)介紹了微流控芯片在多通道交匯處的幾何結(jié)構(gòu)，并將微流控芯片分為T 型微流控芯片、Y 型微流控芯片和共流微流控芯片。


圖5 Y型微流控芯片


圖6 T型微流控芯片


圖7 共軸流微流控芯片


微流控紡絲化學(xué)的應(yīng)用


  微流控 FSC 策略為原位生產(chǎn)性能優(yōu)異的功能化微米/納米級纖維雜化材料提供了有效途徑。


圖8 微流控FSC策略制備鈣鈦礦納米晶和高熒光CdSe量子點(diǎn)。


圖9 FSC紡絲化學(xué)在全天候智能紡織品方面的應(yīng)用


  該文從FSC制備機(jī)理和技術(shù)優(yōu)勢兩方面對FSC的發(fā)展進(jìn)行綜述與展望。其本質(zhì)核心是如何實(shí)現(xiàn)纖維的工程化、高性能化和結(jié)構(gòu)功能一體化，尤其是實(shí)現(xiàn)規(guī)；B續(xù)可控制備性能優(yōu)越的先進(jìn)納米材料，更是給納米材料產(chǎn)業(yè)帶來了全新視角，同時(shí)，提供一條嶄新的微流控紡絲技術(shù)可實(shí)用化的途徑。


  陳蘇教授團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)外率先開展了微流控紡絲研究工作，2019年率先提出紡絲化學(xué)的新概念，并在微/納纖維的構(gòu)筑、功能化和結(jié)構(gòu)調(diào)控等方面取得了一定進(jìn)展，多篇相關(guān)文獻(xiàn)（Angew. Chem. 2014, 126, 4069 –4073. Adv. Sci. 2019, 6, 1901694. Adv. Mater. 2019, 31, 1903733. Adv. Mater. 2020, 32, 2000982. Adv. Mater. 2023, 2302326. Angew.Chem.Int.Ed.2021, 60,25089–25096. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202204371.等）先后在《Angewandte Chemie》、《Advanced Science》、《Advanced Materials》、《Angewandte Chemie International Edition》等期刊發(fā)表。可以預(yù)見FSC策略的廣泛應(yīng)用必將推動功能性納米纖維的發(fā)展。


圖10. JPS封面圖供稿


  相關(guān)文章推薦：

  L. L. Xu, C. F. Wang, S. Chen, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2014, 53(15), 3988.

  X. Lu, Y. Hu, J. Guo, C. F. Wang, S. Chen, Adv. Sci. 2019, 6(22), 1901694.

  X. Y. Du, Q. Li, G. Wu, S. Chen, Adv. Mater. 2019, 31(52), e1903733.

  T. Cui, J. Yu, Q. Li, C. F. Wang, S. Chen, W. Li, G. Wang, Adv. Mater. 2020, 32(32), e2000982.

  H. Qiu, X. Qu, Y. Zhang, S. Chen, Y. Shen, Adv. Mater. 2023, 35, 2302326.

  J. D. Liu, X. Y. Du, S. Chen, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2021, 60(47), 25089.

  R. Cheng, Z. B. Liang, L. Zhu, H. Li, Y. Zhang, C. F. Wang, S. Chen, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2022, 61(27), e202204371.


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pol.20230527

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（責(zé)任編輯：xu）
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