基於(yu) 靜電紡絲(si) 技術構築的海綿狀多孔材料具有孔隙率高、質輕以及多功能性等優(you) 點。隨著近年來短纖維技術及聚合物功能材料製備技術的不斷進步，使得電紡海綿材料作為(wei) 一種新型開孔三維材料得到廣泛的應用關(guan) 注。其中，...
基於(yu) 靜電紡絲(si) 技術構築的海綿狀多孔材料具有孔隙率高、質輕以及多功能性等優(you) 點。隨著近年來短纖維技術及聚合物功能材料製備技術的不斷進步，使得電紡海綿材料作為(wei) 一種新型開孔三維材料得到廣泛的應用關(guan) 注。其中，聚酰亞(ya) 胺（PI）基電紡海綿多孔材料基於(yu) 其優(you) 異的機械性能和熱穩定性能成為(wei) 該領域的研究熱點。但是，以往的PI電紡技術多以1,4-二氧六環等非水溶劑為(wei) 媒介，溶劑毒性造成不可避免的環境汙染和人體(ti) 健康危害。另一方麵，采用傳(chuan) 統有機溶劑靜電紡絲(si) 技術製備的PI多孔電紡材料表麵多呈疏水特性，極大地限製了其應用領域的拓展。
近日，德國拜羅伊特大學Andreas Greiner和韓國科學技術學院（KAIST）Il-Doo Kim研究團隊合作，以含十二烷基磺酸鈉（SDBS）表麵活性劑的水溶液為(wei) 溶劑體(ti) 係，突破性的實現了表麵具有親(qin) 水特性PI電紡海綿多孔材料（sPI）的製備。基於(yu) SDBS助劑添加，所製備多孔PI材料表麵呈現可調控的親(qin) 水特性，多孔PI在水溶液中具有優(you) 異的尺寸穩定性，吸水能力達5000%。該研究成果在親(qin) 水性電紡海綿材料製備方麵具有裏程碑意義(yi) ，在生物組織工程、油水分離等領域具有廣闊的技術應用前景。
PI電紡海綿製備過程及表麵性能展示。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
通過高剪切混合將長PI纖維裁剪成短纖維，添加少量（e.g., 1 wt %）SDBS表麵活性劑為(wei) 分散助劑後，其能夠在水溶液中實現穩定分散。進一步加入聚酰胺酸溶液後，混合溶液也呈現較好的相容性；其中聚酰胺酸在此後電紡製備sPI海綿材料過程中起到粘結劑的作用、引入SDBS表麵活性劑後sPI亞(ya) 胺化固化溫度提高至280 ℃，這兩(liang) 個(ge) 方麵因素是保證PI海綿材料優(you) 異機械性能的關(guan) 鍵。
sPI海綿材料表麵親(qin) 疏性及吸收性能調控。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
區別於(yu) 傳(chuan) 統的靜電紡絲(si) 技術，加入SDBS為(wei) 助劑後所製備sPI海綿材料表麵呈現明顯的親(qin) 水特性（水滴完全潤濕所需時間＜100 ms）。同時，係統研究表明通過調控SDBS表麵活性劑添加濃度以及溶液中PI短纖維含量能夠對sPI海綿材料親(qin) 水性（水接觸角）和吸水能力進行調控。其中，研究表明2.0 wt%含量SDBS的加入足以保證所製備PI材料表麵呈現親(qin) 水性。
sPI海綿材料機械性能測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
同時，雖然傳(chuan) 統PI材質具有固有的疏水性，該研究中所製備sPI海綿材料呈現卓越的吸水能力以及循環測試性能穩定性；當SDBS含量為(wei) PI纖維質量10 wt%時，sPI海綿材料（SDBS(10%)-sPI）初始吸水率達到5000 wt %（佳）。此外，循環壓縮性能測試表明sPI海綿材料體(ti) 係展現出優(you) 異的機械性能和多孔尺寸穩定性。 聚丙烯腈多孔海綿的製備應用拓展。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
為(wei) 展示該靜電紡絲(si) 技術的普適性，研究人員進一步采用SDBS輔助製備了聚丙烯腈（PAN）海綿材料。添加10 wt % SDBS，所製備PAN多孔材料密度為(wei) 5.7 mg cm-3、材料表麵呈強親(qin) 水性且具有卓越的壓縮循環測試（100餘(yu) 次）性能穩定性。此外，基於(yu) sPI海綿材料表麵的親(qin) 水特性，多孔材料可作為(wei) 菌膜基底用於(yu) 不同功能生物膜的培育，在生物燃料電池等領域的具有重要的潛在應用。
sPI海綿材料細菌培養(yang) 應用。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
總結
表麵活性劑作為(wei) 一種典型的兩(liang) 親(qin) 性大分子化合物，廣泛的應用於(yu) 工業(ye) 生產(chan) 和日常生活中。該研究創造性的以微量傳(chuan) 統SDBS為(wei) 溶液助劑，實現了聚酰亞(ya) 胺等聚合物材料體(ti) 係靜電紡絲(si) 技“水性化”簡便製備。該研究成果中多孔材料表麵親(qin) 水改性技術及其策略的普適性，將極大地突破傳(chuan) 統聚合物材料固有疏水特性帶來的應用局限性。
