東華大學丁彬/張世超《AM》：具有摩擦電納米結構的高性能防水、溼熱舒適的納米織物！

作爲人類生活四大要素（衣、食、住、行）之首，紡織品在日常生活中扮演着重要的角色。近年來，功能性紡織品作爲物理屏障，在調節人體生理舒適度的研究中嶄露頭角。其中，防水透氣膜是一種尖端高科技功能材料，其既能阻擋外部液體和污染物的滲入，又能使溼氣透過以保持人體乾爽舒適。因此，它被視爲人的“第二層皮膚”，在防護服、醫用敷料、海水淡化、電子設備等不同領域具有廣闊的應用前景。然而，這種薄膜一直面臨着如何平衡防水性和透氣性以及阻擋內部汗液傳輸的難題。

東華大學俞建勇院士團隊丁彬研究員、張世超研究員等人基於操縱帶電液體的噴射和相分離，開發了一種由疏水性鐵電納米纖維膜和親水性納米纖維膜組成的納米織物。通過將納米級直徑（約 22 nm）、小孔徑和高孔隙率相結合，作者實現了膜的高防水性（129 kPa）和透氣性（3736 g m-2 d-1）。此外，該膜還能通過親水排汗和摩擦電場極化的耦合作用，將大水簇分解爲小水分子，從而促進汗液的吸收和釋放，展現出出色的水分蒸發率（0.64 g h-1）和溼熱舒適度（比最先進的聚四氟乙烯膜低0.7℃）。這項工作可能會爲先進防護紡織品的設計和開發帶來新的啓示。該研究以題爲“High-Performance Liquid-Repellent and Thermal-Wet Comfortable Membranes Using Triboelectric Nanostructured Nanofiber/Meshes”的論文發表在《 Advanced Materials》上。

【納米織物的設計】

外層PVDF-HFP納米纖維膜和內層聚氨酯納米纖維膜的納米結構由直徑爲10~30 nm的一維超細納米纖維組成，其平均直徑約爲22 nm，遠小於傳統電紡纖維（300~900 nm），從而提供了潛在的納米級效應。與普通電紡納米纖維膜（>1.5 µm）相比，納米膜的孔徑特別小，僅爲0.62 µm，孔隙率高達 78%。此外，由於機械拉伸帶來的原位充電效應，電網格化過程會誘導PVDF-HFP納米纖維從α相到β相的晶相轉變，從而使PVDF-HFP納米纖維/膜具有高摩擦電壓（30.4 V）。除了具備出色的靜水壓力（129 kPa）和蒸汽滲透率（3736 g m 2 d -1）外，熱圖像顯示該穿在人體上的納米膜織物比商用PTFE防水透氣膜具有更快的散熱速度，展現出了更好的溼熱舒適性，在防護服和電子產品方面具有應用潛力。

圖1 納米膜的設計

圖2 納米網格的形成機理

【納米膜的水傳輸行爲】

爲揭示選擇性水傳輸行爲，作者首先研究了納米織物的潤溼性。當水滴落在PVDF-HFP外層時，水接觸角爲136.7°，展現出疏水性。與此相反，當水滴在內層聚氨酯上時，水接觸角在0.6秒內從18°迅速變爲0°，顯示出超親水性。得益於小孔直徑和疏水性外表面，納米膜表現出強大的防水性，其靜水壓力爲129 kPa，高於PVDF-HFP納米纖維膜（76 kPa）。此外，超親水性內表面和二維納米結構使其具有較大的吸水高度（5.3 cm），這表明汗液可在納米織物內迅速吸收和擴散。除了吸溼和加速汗液蒸發外，電場還可能改變水分子的結構有序性並減小水簇的大小，從而促進液態水的蒸發。結果表明，在摩擦電場存在下，納米織物的水分蒸發率從0.53 g h -1提高到0.64 g h -1，幾乎是傳統棉織物的2.5倍。

圖3 納米膜的水傳輸行爲

【納米膜的功能應用】

鑑於納米織物具有二維網格結構、非對稱潤溼性和高鐵電性，因此可應用於智能紡織品和電子皮膚。作者驗證了納米織物對日常生活中各種常見液體的抗溼潤性，包括水、可樂、咖啡、油、牛奶和鹽水。在溫度爲38℃、相對溼度爲40%的條件下，由於高孔隙率和納米尺寸效應，納米織物的水蒸氣透過率可達到4139 g m -2 d -1。此外，納米織物可以吸收和釋放汗液，其水分蒸發率（0.64 g min -1）優於商用紡織品（<0.45 g h -1）。此外，與商用聚四氟乙烯膜相比，納米織物具有較低的蒸發阻力（13.1 Pa m 2 W -1）和熱阻（3.9 mK m 2 W -1），這表明材料具有更好的溼熱舒適性。最後，作者將導電金屬濺射到納米織物上，以構建電子皮膚。其可在較大的壓力範圍（0-30 N）內跟蹤日常生活中與關節有關的人體運動，還可用於高效的生物力學能量收集，並作爲可靠的電源驅動低能耗電子設備。

圖4 實時監測各種人體運動的應變/壓阻式傳感器

結語：作者通過調節帶電液體的噴射、變形和相分離，提出了一種基於獨特的非對稱潤溼二維納米纖維/膜，從而實現了防水、透氣和快乾性能的協同效應。該紡織物具有很強的防水性（129 kPa）和透氣性（3736 g m -2 d -1），同時表現出較高的汗液蒸發率（0.64 g h -1）和溼熱舒適性（比商用聚四氟乙烯膜低0.7℃）。這項研究爲下一代智能膜的開發提供了新的思路，併爲防護服和電子皮膚的應用打開了大門。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305606

來源：高分子科學前沿

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