作者介绍

• 通讯作者

刘福娟 副教授

苏州大学

苏州大学纺织与服装工程学院副教授，硕士生导师。2011年获东华大学工学博士学位；2009—2010年在美国密歇根大学化学系访学一年。迄今为止主持国家自然科学基金、省部级项目、博士后基金和横向项目等10余项；发表SCI、EI论文50余篇；授权发明专利20余项；获省部级奖项6项、市厅级奖1项。担任《现代纺织技术》编委和多个国际期刊的审稿人。

• 第一作者

王子佳 硕士研究生

苏州大学

主要研究方向为功能性防水透湿膜。

常雅雯 硕士研究生

苏州大学

主要研究方向为防水透湿膜和Janus膜的制备和应用。目前以第一作者身份发表SCI论文1篇。曾获特等学业奖学金。

文章导读

在现代材料科学领域，疏水材料因其独特的自清洁能力、优异的防水和抗菌性能，以及在防腐涂层、防尘、防冰、防污和自清洁等领域的广泛应用而备受关注。目前，制备疏水材料的方法多种多样，涵盖了刻蚀法、粉末涂料涂层法、沉积法、组装法、模版法、静电纺丝法和3D打印技术等。其中，静电纺丝作为一种简单而有效的方法，被广泛用于生产具有大比表面积、高孔隙率和互连多孔结构的纳米纤维膜。与传统的膜技术相比，静电纺丝能耗更低，因此被认为是一种相对环保的技术。苏州大学刘福娟副教授及其团队在 Materials 期刊上发表了文章”Preparation and Properties of Polyimide/Polysulfonamide/Polyethylene Glycol (PI/PSA/PEG) Hydrophobic Nanofibrous Membranes”，展示了通过结合静电纺丝和水刻蚀法成功制备了具有优异疏水性的聚酰亚胺/聚砜酰胺/聚乙二醇 (PI/PSA/PEG) 纳米纤维膜，证明了其在防水、透气、透湿和防污等领域有广阔的应用前景。

研究过程与结果

作者通过静电纺丝制备了不同质量比的PI/PSA/PEG纳米纤维膜，并利用PEG的水溶性对纤维膜进行水刻蚀处理，以构建表面粗糙的皱皮结构。本文探究了水刻蚀前、后在不同质量比条件下PI/PSA/PEG膜的形貌结构、力学性能和疏水性能。此外，本研究还测试了纤维膜的防水、透气、透湿和防污性能。

水刻蚀会使纤维直径普遍减小，而PEG添加量过低 (1/4和1/5) 或过高 (1/1) 都会影响纤维的均匀性。当PEG相对于PI/PSA的添加量为1/3时，纤维的平均直径为0.73 ± 0.03 μm (见图1a) ，刻蚀纤维的平均直径为0.64 ± 0.03 μm，此时纤维直径最为均匀且无断裂现象 (见图1b) 。如图1c所示，由于部分PEG在水中溶解，经水刻蚀后的纤维表面有明显凸起的粗糙结构和些许孔洞。当PEG添加比例为1/3时，纤维表面粗糙的皱皮结构最为明显 (见图1c)。

图1. PEG相对于PI/PSA的添加量为1/3时：水刻蚀 (a) 前和 (b) 后PI/PSA/PEG纤维膜的SEM图和纤维直径分布图；(c) 刻蚀后PI/PSA/PEG纤维表面的SEM图。

PI/PSA/PEG纤维膜是由PI、PSA和PEG物理混合后静电纺丝制成的复合材料。水刻蚀后纤维膜的红外光谱 (图2a)仍呈现与PEG对应的部分官能团峰，表明PEG尚未被完全蚀刻掉。因此，水刻蚀去除了部分的PEG及其分散相，优化了纤维整体的晶体结构，使分子排列更有序，这有助于稳定纤维尺寸并增强力学性能。所以静电纺丝法制备的纳米纤维膜虽然初始力学性能较差，但通过水刻蚀后，可以有效改善其力学性能 (如图2c所示)。此外，如图2e所示，所有用水蚀刻处理的膜都表现出疏水性。当PEG添加比例为1/3，刻蚀前膜的初始水接触角 (water contact angle, WCA) 最高，达到130.4°(±1.0°)，刻蚀后增加到137.9°(±0.3°)。

图2. (a) PEG、PI/PSA/PEG和刻蚀PI/PSA/PEG纤维膜的红外光谱图；(b) PI/PSA/PEG和刻蚀PI/PSA/PEG纤维膜的XRD图；(c) 水蚀刻前和后PI/PSA/PEG纤维膜的应力-应变曲线；水刻蚀 (d) 前和 (e) 后不同PEG相对于PI/PSA质量比的PI/PSA/PEG纤维膜的动态水接触角。

当PEG添加比例为1/3，刻蚀后PI/PSA/PEG膜的透气性最高 (46.16± 1.83 mm/s)(图3b)。通过观察不同液体滴落到刻蚀纤维膜表面后的液滴形态，水刻蚀后液滴可以在膜表面长时间保持近球形的形状，表明刻蚀后的PI/PSA/PEG纤维膜具有良好的疏水性能。图3 (d)—(g) 分别为刻蚀后的PI/PSA/PEG纤维膜的防水、透气、透湿和防污性能测试。

图3. 水刻蚀前和后PI/PSA/PEG纤维膜的 (a) 水蒸气透过率和 (b) 透气率；(c) 不同液滴滴在刻蚀后的纤维膜10 min后的现象；刻蚀后的纤维膜的性能测试：(d) 防水性；(e) 透湿性；(f) 透气性和 (g) 防污性能。

研究总结

本文通过结合静电纺丝和水刻蚀法成功制备了表面具有粗糙皱皮结构的PI/PSA/PEG纳米纤维膜。在纺丝电压为10 kV、PI/PSA质量分数为15 wt.%和PEG相对于PI/PSA质量比为1/3的最佳纺丝条件下，刻蚀后的纤维膜表现出均匀稳定的形貌，平均直径为0.64±0.3 μm。此外，经过水刻蚀后纤维膜的力学性能和疏水性能 (初始WCA最大可达到137.9°) 被改善，同时也展现了其具有一定的防水、透湿、透气和防污性能。结果表明，本研究制备的纳米纤维膜在防水透湿领域具有较高的应用价值以及进一步开发的巨大潜力。

原文出自 Materials 期刊：https://www.mdpi.com/2920898

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8 

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.4 Days

*JCR Q1 - "Metallurgy and Metallurgical Engineering";

**JCR Q2 - "Materials Science, Multidisciplinary"