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前沿:由纳米纤维网构建的电纺膜的应用
2019/11/28 22:19:14 admin

  Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) images of polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofiber membranes with different tetrabutylammonium chloride (TBAC) concentration: (a) no salt (pure PVDF); (b) 0.05 mol.L-1polyvinylidene fluoride tree-like nanofiber membrane-1 (PVDF-TLNMs-1); (c) 0.10 mol.L-1 (PVDF-TLNMs-2); and (d) 0.15 mol.L-1(PVDF-TLNMs-3) (the inset is the pore size distribution of the membrane). [Li et al Nanomaterials 2016; 6: 152.

  纳米纤维网通常由直径约为20至30nm,且比其周围的纤维小一个数量级的纳米纤维组成。虽然形成纳米纤维膜的确切机制仍不清楚,但研究已经表明,Zhang等通过加入盐可以促进溶液形成更高的电荷。纳米纤维网的纤维间孔径也比常规电纺纤维的孔径小得多。这种小纤维直径使其具有更高的比表面积,并且具有通过表面积可以显着增强其功能的潜力。

  过滤器

  静电纺纳米纤维已被用作商业空气过滤介质,因为较小的纤维直径有助于以低压降捕获颗粒。使用类似于纳米纤维(直径小于200nm)的过滤介质,低空气流量和无滑动边界条件的三维结构的模型模拟,小于100nm的纳米颗粒主要通过布朗扩散捕获,而较大颗粒通过用纤维截取。 为了进一步提高电纺膜的捕捉能力,可以构造较小直径的纤维。 Zhang等人(2017)电纺出用于超薄高效空气过滤器的聚间苯二甲酰间苯二胺纳米纤维/纳米纤维,其中直径为20nm的纤维形成纳米纤维网。由此产生的电纺空气过滤介质具有99.999%的超低穿透空气过滤水平和300-500nm颗粒的92Pa的低压降。

  除空气过滤外,纳米纤维也可用于水过滤。Li等人(2016b)证明了这种膜用于微滤的用途。他们通过电纺添加了四丁基氯化铵(TBAC)的聚偏二氟乙烯(PVDF),得到的膜能够在25psi压力下除去99.9%的300nm聚苯乙烯颗粒和2.88×10 4 Lm-2 h-1的高纯水通量。使用没有纳米纤维网的电纺PVDF膜,排斥率仅为46%。尽管排斥率很高,但需要更多的研究来确定颗粒积聚时通量的下降以及该膜的回收能力。

  透气防水膜

  透气防水膜具有排斥水滴的孔隙,同时允许水蒸气通过它而扩散。与Gore-Tex中的孔相似,电纺膜的孔也由纤维间空隙形成。为了增强水分输送,可以使用双层系统,其中内层疏水且外层亲水以通过疏水层将水分从皮肤吸走。Ju等人(2017)构建了由热塑性聚氨酯(TPU)与四丁基氯化铵(TBAC)为顶层和TPU为底层构成的电纺复合膜。电纺TPU/TBAC纤维层具有亲水性。相比之下,电纺TPU层是疏水的。与商用TPU膜相比,所得复合膜具有更好的水蒸气透过率(WVT),静水压和透气性。TPU/TBAC层有相对较小的纤维间的孔径组成的纳米纤维网可以防止水通过,即使该层具有亲水性。

  增强膨胀

  电纺纤维和纳米纤维可用于增强材料水膨胀能力。Zhao等人(2015)通过用电纺交联聚丙烯酸(PAA)纳米纤维与纳米纤维网和疏水性橡胶制备了复合水溶胀橡胶(WSR)。常见的水溶胀橡胶由疏水性橡胶和亲水性吸水性树脂组成。然而,由于两种组分之间的差,吸水树脂颗粒常常从橡胶上脱落,水溶胀功能降低。以电纺膜的形式,嵌入橡胶中的吸水性PAA网络使得PAA难以逸出。由于电纺交联PAA纳米纤维具有高比表面积,因此,水溶胀橡胶的膨胀能力得到改善。

  改善敏感性

  由具有高表面积的超细纳米纤维形成的纳米纤维网使其对外界环境非常敏感。作为传感器,直径在几百纳米的传统电纺纳米纤维已被证明对分析物的敏感度比膜要高得多,因此,直径在几十纳米内的纳米纤维肯定会更敏感。Wang等人(2011)将电纺聚乙烯亚胺(PEI)官能化的聚酰胺6(PA6)(PEI-PA6)纳米纤维网作为用于石英晶体微量天平(QCM)上的湿度检测传感器。由此构建的传感器显示出对湿度的快速响应/恢复时间,并且胜过目前基于多孔结构的传感器。同样的研究团队(Ding等人,2011)又将电纺聚乙烯亚胺(PEI)功能化聚酰胺6(PA6)(PEI-PA6)纳米纤维网用在石英晶体微量天平(QCM)上,用于高灵敏度甲醛检测。构建的传感器系统具有低检测限(50ppb),快速响应,优异选择性和良好重现性的优点。

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