正如中国古代的谚语“莲花出淤泥而不染”，描述了荷叶的自洁现象。自洁“莲花效应”是由于其具有超疏水性（水接触角度（WCA）高于150°）表面。除了荷叶之外，在自然界中还有许多其他超级润湿现象，例如各向异性润湿水稻叶、一些水禽的羽毛、梯度润湿性蜘蛛丝、仙人掌刺和猪笼草等。目前，制备超润湿性材料的方法有很多，如溶胶-凝胶法、化学气相沉积、表面接枝、蚀刻、等离子体处理、电化学方法、自组装、逐层方法、模板法、溶剂-非溶剂技术和静电纺丝等。这些方法中，静电纺丝技术是在高压静电力下通过拉伸粘性聚合物溶液制备纳米纤维。一方面，各种聚合物或无机/有机复合物具有所需表面能以构筑电纺纳米纤维材料；另一方面，静电纺丝方法具有强大的结构可调性，可以构建具有微尺度分层结构的纳米纤维。
近日，北京航空航天大学赵勇教授课题组总结了静电纺丝技术在生成各种分层结构纳米纤维方面的进展，介绍了最近制备具有超润湿性的电纺微/纳米纤维的方法。进一步阐述了电纺纳米纤维材料在液体混合物分离、水收集、单向液体渗透和环保材料中的重要作用。最后总结了目前电纺超润湿纳米纤维材料的挑战和展望。该文章发表于Adv.Funct.Mater.2018, 1801114。
基于常规同轴静电纺丝方法制备圆柱形纤维、扁平带状纤维和多孔纤维。最近出现了如多流体复合喷射静电纺丝和多流体同轴静电纺丝。因此，可以获得各种多层结构纤维，特别是内层结构。此外，一种改进的多流体同轴静电纺丝方法制造纳米线-微管结构的核-壳纤维。静电纺丝是可以调控实验参数制备具有多种结构和组成的纳米纤维材料。这一突出优势便利它在许多领域的应用，如气体过滤器、功能性纺织品、电池和超级电容器、药物释放和组织再生以及超润湿材料。
图1 静电纺丝技术制备的多结构微/纳米纤维
超疏水表面： 受大自然的启发，通过结构或仿生学制备超疏水人造表面的仿生制剂取得了很大的进步。超疏水两亲表面主要有三种方法：i）直接将低表面能材料制备成所需的粗糙结构； ii）修改粗糙结构上的低表面能材料；iii）粗糙化低表面能材料的表面。
图3 来自大自然的超疏水表面启发制备的人工超疏水材料
超湿润性电纺材料的应用：
油/水吸附分离：超疏水和超亲油的电纺材料是从水中有选择性分离出石油的一种很好的方法。实际上电纺膜是由连续的，多孔的无纺布组成的，其具有高表面积和精心设计的微/纳米纤维，使其适合于油/水分离应用。
图6 用于油/水吸收分离的电纺微/纳米纤维膜
图7 纳米纤维油/水过滤膜
乳状液分离：一般来说，油/水混合物通常有三种形式，分别为：液滴直径大于150μm，20-150μm之间和小于20μm的分散相乳化油。除了游离油和乳化的油/水混合物，表面稳定的乳状液更难被分离，这已经成为全球的挑战。而具有超湿性的多孔电纺材料作为过滤膜正好符合要求，因此其成为构建乳液分离膜的选择。
图8 用于高效O/W和W/O乳液分离的电纺纳米纤维膜
有机液体分离：目前，多相有机液体分离与资源回收是很重要的。大部分石油化工、食品、医药、纺织印染以及日常生活中大量的含油液体。如果不加以治理，就会带来巨大的环境污染和资源浪费。因此，设计和制造混合液体分离材料的产品以避免浪费和污染是至关重要的。图9表明通过将电纺的纤维膜煅烧以及表面改性，可用于多阶段的连续液体分离，并表现出优异的分离效果。
图9 通过可控润湿性的电纺膜分离多相有机液体混合物
水收集：蜘蛛丝具有独特的变形能力和重建的周期性。微小的水滴可以从关节自我移动到主轴结结构。运动动力是由主轴结和关节之间的梯度产生。因此，许多研究人员致力于设计可以模仿串珠的纤维蜘蛛丝的结构和集水性能。电纺出非常类似于蜘蛛丝形状的周期性纺锤纤维。因此，静电纺丝被应用于制造用于集水的蜘蛛丝状珠串纤维。结果证明这类纳米纤维材料具有较好的水收集效果。
图10 自然蜘蛛丝和人造电纺类蜘蛛丝纳米纤维集水
总结与展望：超润湿材料具有微/纳米级结构的表面自由能。静电纺丝技术提供了一个简单制备具有可调节表面自由能的各种纳米/微结构的纳米纤维有效途径。但从理论研究到材料制造和实践应用的挑战仍然存在。如材料制作、结构均匀性、机械强度和生产率等。这些缺陷在很大程度上阻碍了超润湿电纺材料的应用范围。然而，一切都有两面，挑战预示着机会。静电纺丝的未来发展将是通过化学、物理、电流体动力学、工程学等提出更先进的润湿性理论前锋。静电纺丝制备的具有超润湿纳米纤维材料将在更多方面得到应用。
【作者介绍】：赵勇，博士，北京航空航天大学教授，博士生导师。2015年获万人计划“青年拔尖”人才计划支持，2012年获国家自然科学“优秀青年”基金支持，2011年获教育部新世纪优秀人才计划支持。
主要研究方向：仿生多尺度轻质高强微纳米纤维材料在环境、能源、生物领域的应用。课题组与哈佛大学、MIT、Boston University, 复旦大学、中科院苏州纳米所、中科院青能所、清华大学、中山大学、工程热物理所、第四军医大学等国内外高校研究机构等开展了广泛的交流与合作。更多
