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湿法静电纺丝技术 青岛大学龙云泽团队Adv Fiber Mater—湿法静电纺丝制备功能纤维综述:形貌丰富,神通广大!

2025-01-17

湿法静电纺丝是由传统静电纺丝延伸出来的一个重要分支。湿法静电纺丝用液体凝固浴取代了传统的固体收集器,可以生产具有多孔、弯曲和扭曲结构的纤维以及制备连续的纳米纤维纱线。此外,湿法静电纺丝纤维表面还可以进行改性和功能化,在各种应用中大大提高了静电纺丝纤维的性能,促进了静电纺丝纤维在纺织领域的工业化生产。                                                                                              

  近期,青岛大学郑杰/龙云泽、东华大学陈志钢在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Advances in Wet Electrospinning: Rich Morphology and Promising Applications”的综述文章。介绍了湿法静电纺丝技术的基本原理,装置的改进与演化,以及在制备丰富形貌纳米纤维方面的潜力。从不同应用领域总结了湿法静电纺丝的研究进展和发展前景。        

首先,介绍了湿法静电纺丝与传统静电纺丝的区别。从纤维成形的角度来看,传统静电纺丝是在高压静电场下将聚合物溶液拉伸成直径从微米到纳米的纤维,如图1a所示。相反,湿法静电纺丝技术是将聚合物溶液挤入细流中,随后在凝固浴中凝固成纤维(图1b)。该方法在纤维成型过程中具有可控性,因此在制备有序纤维和特定功能性短纤方面具有独特的优势。      

 其次,介绍了湿法静电纺丝技术的原理。湿式静电纺丝主要包括注射推进装置、高压电源和凝固浴收集装置,如图2所示。湿法静电纺丝过程一般包括四个连续阶段:(1)电荷激发;(2)喷射直线传播;(3)线圈射流动力学;(4)凝固。在凝固过程中,聚合物和混凝剂之间发生化学反应,溶剂从原料溶液扩散到凝固浴,产生了双扩散效应,从而加速了超细纤维的形成。凝固浴是湿法静电纺丝在纤维形态结构、表面改性和功能化以及纱线制备等方面具有相比于传统静电纺丝无法比拟的独特优势的关键。凝固浴装置通常包括板式、鼓式、涡流式和盘式收集。     

然后,总结了湿法静电纺丝在制备图案化纤维方面的潜力。在湿法静电纺丝过程中的凝固浴有利于纤维从液体向固体的转变。这样可以更好地控制纺丝液的凝固速度和纤维内部的相位分离过程。凝固浴浓度的增加提高了纤维凝固的均匀性,减少了大孔的形成,从而降低了原生纤维的孔隙率。这些特点可以用于设计和制造应用于生物医学或工业设备的图案化纤维,如药物输送的核-鞘纤维,高度多孔纤维,串珠纤维或粘合膜(图3)。      接着,总结了湿式静电纺丝纤维应用于生物组织工程、过滤和能源催化等领域的研究进展与发展潜力。        

最后,总结了湿法静电纺丝的优点、目前面临的挑战和未来的发展。湿式静电纺丝技术优势:(1)纤维直径的可调性;(2)材质多样,可扩展性强;(3)纤维结构可控;(4)应用广泛。然而,湿法静电纺丝技术的快速发展也暴露出一些问题,使其产业化发展面临挑战:(1)工业生产效率低;(2)纤维形态、微观结构调控不足,性能有限;(3)设备操作复杂,成本高;(4)溶剂回收与环境污染。   鉴于湿法静电纺丝的缺点,今后该技术的发展应着重于以下几个方面:(1)设备优化。目的是改进和优化湿式静电纺丝装置,以适应更多的材料,包括改变喷丝板的结构和形状,以调节纤维的直径和形状。(2)优化纺丝液。通过优化纺丝液的配方,可以提高纤维的质量和收率。(3)微流控纤维纺丝化学。通过调整纺丝液的化学成份可以改变纤维的结构和性能,在纺丝过程中可以引入化学反应。(4)自动化和智能化。随着自动化和智能化技术的发展,湿式静电纺丝设备有望逐步实现自动化和智能化控制。  青岛大学张宇晴和博士生王蓬为本文共同第一作者,青岛大学郑杰/龙云泽教授以及东华大学陈志钢教授为本文通讯作者。    

郑杰:青岛大学纺织服装学院、非织造材料与产业用纺织品创新研究院助理教授,研究兴趣涉及静电纺丝技术、非织造材料科学以及非绝热动力学等多个前沿方向。近期,研究重心聚焦于纳米材料与介孔材料在海水环境下的电催化机制解析与性能优化,特别是复合物理场环境对催化剂材料微观结构构造与宏观性能提升的机理探索。主持国家自然科学基金2项,山东省自然科学基金1项,青岛市科技项目1项,企业横向2项。以第一作者或通讯作者身份在Adv. Mater.、Adv. Fiber Mater.、Rare Met.、J. Phys. Chem. C、Phys. Chem. Chem. Phys、ACS Appl. Nano Mater.、J. Alloys Compd.等国内外重要刊物发表SCI收录论文30余篇,授权国内专利12项。

龙云泽:青岛大学物理学院教授,先进纳米纤维创新研究院院长,生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室PI,山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心主任,山东省高等学校国际合作联合实验室(静电纺丝功能微纳米纤维)主任,全国模范教师,教育部新世纪优秀人才,山东省泰山学者,山东省有突出贡献的中青年专家,山东省杰青,国际先进材料学会会士。长期从事静电纺丝功能纳米纤维的制备以及在生物医学、能源催化材料、过滤分离、传感器等方面的应用。在Chem Soc Rev, Prog Polym Sci, Prog Mater Sci,Nature Mater, Nature Commun, Adv Mater, Angew Chem, Adv Funct Mater, ACS Nano等发表论文460篇(入选全球前2%顶尖科学家以及中国高被引学者);参编英文专著13本;授权专利140项,转让/许可专利17项。获山东省自然科学二等奖、北京市科学技术二等奖、国防科技创新大赛一等奖、中国发明创业奖创新奖一等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖、青岛市科技进步特等奖。

陈志钢:东华大学材料科学与工程学院研究员、博士生导师、教育部青年长江学者、纤维材料改性国家重点实验室副主任、国家重点研发计划项目负责人、德国洪堡学者、上海市曙光学者、上海市青年科技启明星、上海市优秀学术带头人、上海市青年科技英才。主要研究光转换半导体纳米材料,探索它们在生物医学、能源、催化、海水淡化等领域中的应用。以第一作者或通讯作者身份在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Biomaterials等国内外重要刊物发表SCI收录论文200余篇,其中影响因子大于10的论文有60余篇。多次入选全球高被引科学家和中国高被引学者。荣获上海市自然科学一等奖、中国纺织工业联合会教学成果奖二等奖、宝钢优秀教师奖等奖励。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目等20项。担任中国材料学会青年工作委员会理事会理事、上海硅酸盐学会无机新能源材料委员会委员、Advanced Fiber Materials执行副主编、《东华大学学报(英文版)》执行副主编。

原文信息Yu-Qing Zhang,Peng Wang, Qiao-Fu Shi, Xin Ning, Zhigang Chen*, Seeram Ramakrishna, Jie Zheng*, and Yun-Ze Long*.Advances in Wet Electrospinning: Rich Morphology and Promising Applications. Adv. Fiber Mater., 2024.https://doi.org/10.1002/adma.202404806……


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