东华大学丁彬/张世超《AM》：具有摩擦电纳米结构的高性能防水、湿热舒适的纳米织物！

作为人类生活四大要素（衣、食、住、行）之首，纺织品在日常生活中扮演着重要的角色。近年来，功能性纺织品作为物理屏障，在调节人体生理舒适度的研究中崭露头角。其中，防水透气膜是一种尖端高科技功能材料，其既能阻挡外部液体和污染物的渗入，又能使湿气透过以保持人体干爽舒适。因此，它被视为人的“第二层皮肤”，在防护服、医用敷料、海水淡化、电子设备等不同领域具有广阔的应用前景。然而，这种薄膜一直面临着如何平衡防水性和透气性以及阻挡内部汗液传输的难题。

东华大学俞建勇院士团队丁彬研究员、张世超研究员等人基于操纵带电液体的喷射和相分离，开发了一种由疏水性铁电纳米纤维膜和亲水性纳米纤维膜组成的纳米织物。通过将纳米级直径（约 22 nm）、小孔径和高孔隙率相结合，作者实现了膜的高防水性（129 kPa）和透气性（3736 g m-2 d-1）。此外，该膜还能通过亲水排汗和摩擦电场极化的耦合作用，将大水簇分解为小水分子，从而促进汗液的吸收和释放，展现出出色的水分蒸发率（0.64 g h-1）和湿热舒适度（比最先进的聚四氟乙烯膜低0.7℃）。这项工作可能会为先进防护纺织品的设计和开发带来新的启示。该研究以题为“High-Performance Liquid-Repellent and Thermal-Wet Comfortable Membranes Using Triboelectric Nanostructured Nanofiber/Meshes”的论文发表在《 Advanced Materials》上。

【纳米织物的设计】

外层PVDF-HFP纳米纤维膜和内层聚氨酯纳米纤维膜的纳米结构由直径为10~30 nm的一维超细纳米纤维组成，其平均直径约为22 nm，远小于传统电纺纤维（300~900 nm），从而提供了潜在的纳米级效应。与普通电纺纳米纤维膜（>1.5 µm）相比，纳米膜的孔径特别小，仅为0.62 µm，孔隙率高达 78%。此外，由于机械拉伸带来的原位充电效应，电网格化过程会诱导PVDF-HFP纳米纤维从α相到β相的晶相转变，从而使PVDF-HFP纳米纤维/膜具有高摩擦电压（30.4 V）。除了具备出色的静水压力（129 kPa）和蒸汽渗透率（3736 g m 2 d -1）外，热图像显示该穿在人体上的纳米膜织物比商用PTFE防水透气膜具有更快的散热速度，展现出了更好的湿热舒适性，在防护服和电子产品方面具有应用潜力。

图1 纳米膜的设计

图2 纳米网格的形成机理

【纳米膜的水传输行为】

为揭示选择性水传输行为，作者首先研究了纳米织物的润湿性。当水滴落在PVDF-HFP外层时，水接触角为136.7°，展现出疏水性。与此相反，当水滴在内层聚氨酯上时，水接触角在0.6秒内从18°迅速变为0°，显示出超亲水性。得益于小孔直径和疏水性外表面，纳米膜表现出强大的防水性，其静水压力为129 kPa，高于PVDF-HFP纳米纤维膜（76 kPa）。此外，超亲水性内表面和二维纳米结构使其具有较大的吸水高度（5.3 cm），这表明汗液可在纳米织物内迅速吸收和扩散。除了吸湿和加速汗液蒸发外，电场还可能改变水分子的结构有序性并减小水簇的大小，从而促进液态水的蒸发。结果表明，在摩擦电场存在下，纳米织物的水分蒸发率从0.53 g h -1提高到0.64 g h -1，几乎是传统棉织物的2.5倍。

图3 纳米膜的水传输行为

【纳米膜的功能应用】

鉴于纳米织物具有二维网格结构、非对称润湿性和高铁电性，因此可应用于智能纺织品和电子皮肤。作者验证了纳米织物对日常生活中各种常见液体的抗湿润性，包括水、可乐、咖啡、油、牛奶和盐水。在温度为38℃、相对湿度为40%的条件下，由于高孔隙率和纳米尺寸效应，纳米织物的水蒸气透过率可达到4139 g m -2 d -1。此外，纳米织物可以吸收和释放汗液，其水分蒸发率（0.64 g min -1）优于商用纺织品（<0.45 g h -1）。此外，与商用聚四氟乙烯膜相比，纳米织物具有较低的蒸发阻力（13.1 Pa m 2 W -1）和热阻（3.9 mK m 2 W -1），这表明材料具有更好的湿热舒适性。最后，作者将导电金属溅射到纳米织物上，以构建电子皮肤。其可在较大的压力范围（0-30 N）内跟踪日常生活中与关节有关的人体运动，还可用于高效的生物力学能量收集，并作为可靠的电源驱动低能耗电子设备。

图4 实时监测各种人体运动的应变/压阻式传感器

结语：作者通过调节带电液体的喷射、变形和相分离，提出了一种基于独特的非对称润湿二维纳米纤维/膜，从而实现了防水、透气和快干性能的协同效应。该纺织物具有很强的防水性（129 kPa）和透气性（3736 g m -2 d -1），同时表现出较高的汗液蒸发率（0.64 g h -1）和湿热舒适性（比商用聚四氟乙烯膜低0.7℃）。这项研究为下一代智能膜的开发提供了新的思路，并为防护服和电子皮肤的应用打开了大门。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305606

来源：高分子科学前沿

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