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东华大学俞建勇院士、丁彬教授《Nature Communications》:二维网状纳米纤维材料制备技术的最新研究成果
2019-04-01  来源:中国聚合物网

  近日,东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬教授带领的纳米纤维研究团队在高分子材料成型加工领域取得了重要进展,提出了一种高分子网状纤维材料的新型加工技术——“静电喷网”。该研究以《静电喷网法制备高性能二维自组装纳米网络结构材料》(Direct Electronetting of High-Performance Membranes Based on Self-Assembled 2D Nanoarchitectured Networks)为题发表于Nature子刊《自然·通讯》(Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-09444-y)上。东华大学系该论文唯一单位,东华大学材料学院11级博士毕业生张世超(现为美国西弗吉尼亚大学博士后)为该论文第一作者。

  近年来,二维纳米网络结构材料在环境防护、电子器件、生物工程等领域展现出了广阔的应用前景。现有纳米网络结构材料通常由一维纳米纤维材料(直径<100nm,如纳米管、纳米线等)作为构筑单元组装而成,然而该构筑单元普遍存在连续性差的问题,导致其聚集体材料面临结构难以精确调控、固有纳米特性难以保持等局限性,严重限制了材料应用性能的大幅提升。

  针对上述问题,研究团队提出了一种将高分子量、低浓度聚合物溶液直接喷射形成二维纳米网络结构材料的新技术,并将其命名为“静电喷网”。通过优化溶液本体特性,控制泰勒锥尖端荷电流体喷射模式,获得了高压电场中均匀悬浮分布的荷电液滴簇,进而通过调控收集器耦合诱导微电场的分布状态,实现了荷电液滴的形变\相变\自组装的精确调控,获得了纤维直径10-40 nm的二维纳米网络结构材料(纳米蛛网),并成功实现了蛛网制备原料种类的有效拓展,目前已成功制备了PVDF、PAN、carbon、TiO2等多种有机/无机纳米蛛网材料。

(图1 二维纳米蛛网材料的设计与开发(a)静电喷网技术示意图,(b)泰勒锥尖端受力分析,(c)接收器耦合诱导电场分布,(d)荷电液滴微电场形变,(e)电势vs位置分布曲线)

  二维纳米网络结构不仅赋予了材料孔径小(200-300 nm)、比表面积大(30-70 m2 g-1)、孔隙率高(99.25%)等纳米特性,同时显著增强了材料的选择润湿性、机械性能以及透光性能,所得纳米蛛网材料在空气过滤、液体分离、生物防护等领域均体现出优异的应用潜力。其中,超薄PVDF纳米蛛网高透光材料(透光性>95%)可有效过滤空气中超细颗粒物PM0.3,过滤效率达99.86%,空气阻力仅~30 Pa。PAN纳米蛛网材料因具有超亲水且快速渗透特性,与常规液体过滤材料相比,在具有相同过滤效率(99.92%)时,渗透通量提高了一个数量级(3550±275 L m-2 h-1)。此外,经碳化或煅烧处理后获得的碳基与TiO2基纳米蛛网材料,也分别展现出优异的导电性能与生物防护特性。

(图2 二维纳米蛛网材料的多功能应用(a)空气过滤性能,(b)透光性能,(c)液体分离性能,(d)过滤循环再生性能,(e)导电性能,(f)生物防护性能)

  该工作不仅提出了一种新型的电流体动力加工技术,制备出了高性能、多功能的二维纳米网络结构材料,也为下一代先端纳米纤维材料的设计与开发提供了指导与借鉴。该研究成果得到了国家自然科学基金、上海市科委项目的大力资助。

  论文全文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09444-y

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(责任编辑:xu)
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