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《自然?通訊》發表我校二維網狀納米纖維材料制備技術的最新研究成果

發布時間:2019-04-10

近日,我校紡織科技創新中心俞建勇院士及丁彬教授帶領的納米纖維研究團隊在高分子材料成型加工領域取得了重要進展,提出了一種高分子網狀纖維材料的新型加工技術——“靜電噴網”。該研究以《靜電噴網法制備高性能二維自組裝納米網絡結構材料》(Direct Electronetting of High-Performance MembranesBased on Self-Assembled 2D Nanoarchitectured Networks)為題發表于《自然》(Nature子刊《自然·通訊》(Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-019-09444-y)上。我校系該論文唯一單位。該論文第一作者張世超系我校材料學院2013級博士研究生,現于美國西弗吉尼亞大學從事博士后研究。

近年來,二維納米網絡結構材料在環境防護、電子器件、生物工程等領域應用前景廣闊?,F有納米網絡結構材料通常由一維納米纖維材料(直徑<100nm,如納米管、納米線等)作為構筑單元組裝而成,但該構筑單元普遍存在連續性差的問題,導致其聚集體材料面臨結構難以精確調控、固有納米特性難以保持等局限性,嚴重限制了材料應用性能的大幅提升。

針對上述問題,研究團隊提出了一種將高分子量、低濃度聚合物溶液直接噴射形成二維納米網絡結構材料的新技術,并將其命名為“靜電噴網”。通過優化溶液本體特性,控制泰勒錐尖端荷電流體噴射模式,獲得了高壓電場中均勻懸浮分布的荷電液滴簇,進而通過調控收集器耦合誘導微電場的分布狀態,實現了荷電液滴的形變\相變\自組裝的精確調控,獲得了纖維直徑10-40nm的二維納米網絡結構材料(納米蛛網),并成功實現了蛛網制備原料種類的有效拓展,目前已成功制備了PVDF、PAN、carbon、TiO2等多種有機/無機納米蛛網材料。

(二維納米蛛網材料的設計與開發(a)靜電噴網技術示意圖,(b)泰勒錐尖端受力分析,(c)接收器耦合誘導電場分布,(d)荷電液滴微電場形變,(e)電勢vs位置分布曲線)

二維納米網絡結構不僅賦予了材料孔徑?。?00-300nm)、比表面積大(30-70m2g-1)、孔隙率高(99.25%)等納米特性,同時顯著增強了材料的選擇潤濕性、機械性能以及透光性能,所得納米蛛網材料在空氣過濾、液體分離、生物防護等領域均體現出優異的應用潛力。其中,超薄PVDF納米蛛網高透光材料(透光性>95%)可有效過濾空氣中超細顆粒物PM 0.3,過濾效率達99.86%,空氣阻力僅~30 Pa。PAN納米蛛網材料因具有超親水且快速滲透特性,與常規液體過濾材料相比,在具有相同過濾效率(99.92%)時,滲透通量提高了一個數量級(3550±275L m-2h-1)。此外,經碳化或煅燒處理后獲得的碳基與TiO2基納米蛛網材料,也分別展現出優異的導電性能與生物防護特性。

(二維納米蛛網材料的多功能應用(a)空氣過濾性能,(b)透光性能,(c)液體分離性能,(d)過濾循環再生性能,(e)導電性能,(f)生物防護性能)

該工作不僅提出了一種新型的電流體動力加工技術,制備出了高性能、多功能的二維納米網絡結構材料,也為下一代先端納米纖維材料的設計與開發提供了指導與借鑒。該研究成果得到了國家自然科學基金、上海市科委項目的大力資助。


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