微納米纖維膜
關(guān)注創(chuàng)建者：klapp 創(chuàng)建時(shí)間：2019-01-21
微納米纖維膜的實(shí)例教程
基于靜電紡絲技術(shù)，將形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料制備成纖維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)熱、電、光、PH、水、磁及電效應(yīng)等激勵(lì)變形過程，在生物醫(yī)療、智能紡織、傳感、驅(qū)動(dòng)等方面應(yīng)用廣泛。近年來，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究和關(guān)注。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)就近10年形狀記憶聚合物微納米纖維膜的制備技術(shù)、結(jié)構(gòu)形貌、驅(qū)動(dòng)方法及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)論述。文章總結(jié)了由靜電紡絲技術(shù)制備的形狀記憶聚合物微納米纖維膜的多種結(jié)構(gòu)，包括無紡、核殼、中空、取向纖維等結(jié)構(gòu)（Fig3）及其不同的驅(qū)動(dòng)方式，包括熱驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng)、水驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方法。隨后，文章對(duì)形狀記憶聚合物微納米纖維膜在骨組織支架、骨組織修復(fù)、神經(jīng)支架（Fig10）及細(xì)胞培養(yǎng)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。最后，該團(tuán)隊(duì)對(duì)目前形狀記憶聚合物材料其他結(jié)構(gòu)在血管直接、氣管支架、骨修復(fù)藥物及細(xì)胞載體、動(dòng)脈瘤、血栓和心臟貼片等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了概括，并對(duì)形狀記憶聚合物微納米纖維膜未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
圖文速遞
圖3 不同結(jié)構(gòu)的纖維無紡結(jié)構(gòu)（a）[30]；核殼結(jié)構(gòu)（b）[33]；中空結(jié)構(gòu)（c）[34]和取向纖維（d）[37]
圖10 在第9天，在（A）P5，（B）P5C0.5，（C）P5C1和（D）P5C2納米纖維上培養(yǎng)PC12細(xì)胞表達(dá)的NF200[45]
形狀記憶聚合物微納米纖維膜在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展相應(yīng)文章發(fā)表于《中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》雜志上，相信這篇綜述對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究者具有重要的參考價(jià)值。
全文連接：
https://doi.org/10.1360/N092018-00126
來源：高分子科學(xué)前沿
展開 通常，熔噴膜由超細(xì)纖維組成，用于去除微粒，但是它們?cè)谌コ☆w粒特別是在100-1000 nm范圍內(nèi)使得過濾無效，需要特定的納米材料提高其過濾效率。而電紡納米纖維材料的高比表面積和體積比，超高強(qiáng)度、高表面能以及作為液體穿透的屏障的能力,這些特性賦予了它們作為再生醫(yī)學(xué)的新型生物材料的潛在應(yīng)用。天津工業(yè)大學(xué)李婷婷副教授與臺(tái)灣逢甲大學(xué)林佳弘特聘教授、亞洲大學(xué)樓靜文特聘教授合作，基于前期對(duì)日光驅(qū)動(dòng)光敏抗菌熔噴膜的研究(J. Clean. Prod 2021.126395)，提出將串珠結(jié)構(gòu)的PCL/ZIF8納米纖維膜與抗菌熔噴膜復(fù)合制備光動(dòng)力型高效過濾的抗菌微納米復(fù)合膜。研究?jī)?nèi)容以“Daylight-driven rechargeable, antibacterial, filtrating micro/nanofibrous composite membranes with bead-on-string structure for medical protection” 發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》。
光動(dòng)力抗菌微納米纖維復(fù)合過濾膜的制備
首先合成一種高比表面積和可光催化的金屬骨架ZIF8晶體。然后，將合成ZIF8晶體加入到PCL溶液中，利用靜電紡絲方法噴涂在抗菌熔噴膜表面制備出光動(dòng)力型高效過濾抗菌的微納米復(fù)合膜。其中，PCL/ZIF8溶液會(huì)在抗菌熔噴膜表面形成明顯的串珠結(jié)構(gòu)，從而提高復(fù)合膜的顆粒過濾性能。最終制備的微納米纖維膜具備可重復(fù)抗菌、可儲(chǔ)存性且高效抗菌的新型復(fù)合纖維膜 (見圖1)。
展開 如纖維、金屬、氣凝膠、泡沫等各種先進(jìn)材料已被用于保溫，防止人體的熱量損失。特別是氣凝膠，其熱導(dǎo)率低至15 mW/mK，表現(xiàn)出優(yōu)越的保溫能力。這種優(yōu)異的性能可歸因于高孔隙率(>90%)、相互連接的多孔納米結(jié)構(gòu)和孔徑低于氣體分子的平均自由程。這些固有特性使氣凝膠能夠有效地防止熱傳遞。
然而，零維氣凝膠粉末具有固有的脆性和吸濕性缺點(diǎn)，限制了其可穿戴應(yīng)用。相比之下，由天然纖維和合成纖維組成的纖維材料由于其理想的可穿戴性、可用性和可負(fù)擔(dān)性而被廣泛用于保暖。然而，商用纖維材料具有較大的孔徑(通常>100 μm)和有限的孔隙率(通常<50%)，這使得它們無法通過限制氣體分子的運(yùn)動(dòng)來抑制空氣熱傳導(dǎo)這些固有的瓶頸嚴(yán)重阻礙了它們的隔熱效果，從而限制了在極冷和多風(fēng)環(huán)境下保持人體溫度的能力。
減小纖維直徑被認(rèn)為有利于實(shí)現(xiàn)高孔隙率而孔徑較小，從而通過減少對(duì)流擴(kuò)散來約束更多的換熱。靜電紡絲作為最先進(jìn)的微/納米纖維制造方法，可以很容易地合成連續(xù)纖維膜，纖維直徑變小，孔隙率增加，孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)，在高性能保溫材料的制造中有前景。然而，目前的靜電紡絲纖維仍然存在一些關(guān)鍵的限制，包括孔徑不夠小(通常>2μm)、孔隙度不夠等因素極大地限制了材料的使用。因此，創(chuàng)造一種可行的和通用的策略來開發(fā)既有效的空氣絕緣又具有動(dòng)態(tài)耐磨性的保溫材料面臨巨大的挑戰(zhàn)。
02
成果掠影
近期，東華大學(xué)丁彬教授和張世超研究員團(tuán)隊(duì)針對(duì)開發(fā)具有優(yōu)異保溫性能的氣凝膠納米纖維膜取得最新進(jìn)展。該文通過非均質(zhì)靜電紡絲和水分誘導(dǎo)溶液鑄造相結(jié)合的策略來創(chuàng)建分層細(xì)胞結(jié)構(gòu)的氣凝膠微/納米纖維膜(CAMMs)，以實(shí)現(xiàn)舒適的抗風(fēng)保暖。
展開 所得仿生多孔Murray膜兼具自驅(qū)動(dòng)可逆重力定向?qū)⒖焖傥艥瘢ㄋ终舭l(fā)速率高達(dá)0.67g/h，是商業(yè)化Coolmax面料的2.1倍）以及優(yōu)異的內(nèi)層速干性能。
圖1 仿生多孔Murray膜的制備過程及其吸濕快干性能
圖2 仿生多孔Murray膜的自驅(qū)動(dòng)逆重力導(dǎo)水過程
該工作中提出的構(gòu)筑仿生多級(jí)孔道以及表面能梯度結(jié)構(gòu)的策略為吸濕快干微納米纖維膜材料的設(shè)計(jì)和性能提升提供了一種新思路，有望取代現(xiàn)有商業(yè)化吸濕快干面料，實(shí)現(xiàn)其在高檔功能服裝及醫(yī)衛(wèi)材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。未來工作中將進(jìn)一步優(yōu)化微納米纖維膜材料的多級(jí)潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)，揭示水分在纖維膜孔道中的定向輸運(yùn)機(jī)制，拓展該材料在野戰(zhàn)軍服、創(chuàng)傷敷料、手術(shù)衣、紙尿褲等功能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市青年科技啟明星等項(xiàng)目的支持。
來源：東華大學(xué)
展開 單向?qū)衩媪峡梢酝ㄟ^將汗液和水汽從身體輸送到外部環(huán)境中，從而在炎熱和潮濕的環(huán)境中達(dá)到快速干燥效果，為人體提供舒適的微環(huán)境。然而現(xiàn)有單向?qū)窨椢锏闹苽涔に嚤容^復(fù)雜，同時(shí)由于傳統(tǒng)纖維的比表面積較小，導(dǎo)出的水分不能快速蒸發(fā)而導(dǎo)致穿著舒適性變差。
自然界中，導(dǎo)管植物中的蒸騰作用具有自驅(qū)動(dòng)逆重力定向水分輸運(yùn)和超快蒸發(fā)兩個(gè)特性。這是由于它們具有符合Murray定律的樹狀分形分叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過最小化多級(jí)孔道中的運(yùn)輸阻力來優(yōu)化水分在多級(jí)連通孔道中的輸運(yùn)能力。此外，生物組織中也大量存在著典型的樹狀分叉結(jié)構(gòu)，例如動(dòng)物的血液循環(huán)系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，隨著多學(xué)科的交叉，這種樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)在諸如微流體流動(dòng)控制、城市水電氣供給等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但由于現(xiàn)有功能性微納米纖維加工技術(shù)和材料的局限性，仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)在吸濕快干面料領(lǐng)域的應(yīng)用仍未得到探索。
近日，東華大學(xué)丁彬教授、王先鋒研究員課題組通過靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)及表面能梯度制備了仿生多孔Murray單向?qū)?em>纖維膜。其中，仿生樹狀多級(jí)分叉網(wǎng)絡(luò)集成了大孔-微米孔-亞微米孔的多級(jí)連通孔道，具有類似于植物蒸騰效應(yīng)的多級(jí)分叉結(jié)構(gòu)，遵循Murray定律最大化物質(zhì)輸運(yùn)原則。所得仿生多孔Murray膜兼具自驅(qū)動(dòng)可逆重力定向?qū)⒖焖傥艥瘢ㄋ终舭l(fā)速率高達(dá)0.67g/h，是商業(yè)化Coolmax面料的2.1倍）以及優(yōu)異的內(nèi)層速干性能。
圖1仿生多孔Murray膜的制備過程及其吸濕快干性能
圖2 仿生多孔Murray膜的自驅(qū)動(dòng)逆重力導(dǎo)水過程
該工作中提出的通過構(gòu)筑仿生多級(jí)孔道以及表面能梯度結(jié)構(gòu)為吸濕快干微納米纖維膜材料的設(shè)計(jì)和性能提升提供了一種新思路，有望取代現(xiàn)有商業(yè)化吸濕快干面料，實(shí)現(xiàn)其在高檔功能服裝及醫(yī)衛(wèi)材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
展開 
微納米纖維膜的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
微納米纖維膜的最新內(nèi)容
該文通過非均質(zhì)靜電紡絲和水分誘導(dǎo)溶液鑄造相結(jié)合的策略來創(chuàng)建分層細(xì)胞結(jié)構(gòu)的氣凝膠微/納米纖維膜(CAMMs)，以實(shí)現(xiàn)舒適的抗風(fēng)保暖。這些纖維內(nèi)的納米孔具有納米尺度的特征孔徑(<66 nm)，可以通過Knudsen效應(yīng)阻礙空氣分子的運(yùn)動(dòng)和熱傳導(dǎo)，從而獲得優(yōu)異的保溫性能(低導(dǎo)熱系數(shù)為14.01 mW/mK)。
以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）為原料的廢棄飲料瓶是常見的生活垃圾。控制類似的塑料污染，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”過程中值得考慮的問題之一。新冠疫情持續(xù)在全球傳播導(dǎo)致的個(gè)人防護(hù)用具和企業(yè)過濾設(shè)備和器材需求維持增加。聚合物的原材料供應(yīng)和回收成為了近期亟待解決的課題。利用回收的塑料瓶制備納米纖維膜，開發(fā)空氣過濾產(chǎn)品可以兼顧以上兩方面的問題
最終制備的微納米纖維膜具備可重復(fù)抗菌、可儲(chǔ)存性且高效抗菌的新型復(fù)合纖維膜 (見圖1)。
未來工作中將進(jìn)一步優(yōu)化微納米纖維膜材料的多級(jí)潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)，揭示水分在纖維膜孔道中的定向輸運(yùn)機(jī)制，拓展該材料在野戰(zhàn)軍服、創(chuàng)傷敷料、手術(shù)衣、紙尿褲等功能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市青年科技啟明星等項(xiàng)目的支持。
來源：東華大學(xué)
未來工作中將進(jìn)一步優(yōu)化微納米纖維膜材料的多級(jí)潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)，揭示水分在纖維膜孔道中的定向輸運(yùn)機(jī)制，拓展該材料在野戰(zhàn)軍服、創(chuàng)傷敷料、手術(shù)衣、紙尿褲等功能紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市青年科技啟明星等項(xiàng)目的支持。
靜電紡絲法
靜電紡絲是近年來發(fā)展起來的一種制備微/納米級(jí)纖維的新工藝，它是將聚合物溶液或熔體置于高壓靜電場(chǎng)中，在電場(chǎng)庫(kù)侖力的作用下被拉伸形成噴射細(xì)流，細(xì)流落在基板上形成微/納米纖維膜。
江雷等采用靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑粗糙表面，再使用廉價(jià)的低表面能物質(zhì)硅油在煅燒過程中進(jìn)行同步修飾，制備出接觸角大于150°、滾動(dòng)角小于5°的TiO2超疏水表面。
未來工作中將進(jìn)一步優(yōu)化微納米纖維膜材料的多級(jí)潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)，揭示水分在纖維膜孔道中的定向輸運(yùn)機(jī)制，獲得高性能的吸濕快干材料。
有機(jī)溶劑在化工分離、精細(xì)化工產(chǎn)品的有機(jī)合成、藥物有效成分的提取以及高附加值產(chǎn)品的分離純化等諸多過程中均有廣泛應(yīng)用。分離回收這些有機(jī)溶劑傳統(tǒng)采用的蒸餾、萃取等方法存在著諸如能耗較高、溶劑損耗大等弊端，高分子耐溶劑納濾膜由于具有分離精度高、可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)成為研究熱點(diǎn)。然而高分子納濾仍然存在一些瓶頸限制了其應(yīng)用，如①高分子材料的抗溶劑性較差，易在溶劑中發(fā)生溶脹或溶解；②傳統(tǒng)相轉(zhuǎn)化膜結(jié)構(gòu)致密，膜阻力較高
哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)就近10年形狀記憶聚合物微納米纖維膜的制備技術(shù)、結(jié)構(gòu)形貌、驅(qū)動(dòng)方法及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)論述。文章總結(jié)了由靜電紡絲技術(shù)制備的形狀記憶聚合物微納米纖維膜的多種結(jié)構(gòu)，包括無紡、核殼、中空、取向纖維等結(jié)構(gòu)（Fig3）及其不同的驅(qū)動(dòng)方式，包括熱驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng)、水驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方法。
【內(nèi)容提要】
《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》在線發(fā)表了中科大俞書宏教授課題組的最新研究成果：
Biomimetic Twisted Plywood Structural materials
https://doi.org/
