過(guò)去,人們都喜歡用棉花做制造運(yùn)動(dòng)服的紡織原料,因?yàn)橛H水基的棉制品具有在出汗時(shí)吸汗水的性質(zhì),可棉纖維的保水性也是非常強(qiáng)的,棉纖維在吸入了汗水之后,干燥速度很慢。此外,浸潤(rùn)水分的棉織物重量加重,其運(yùn)氣性下降并粘貼在皮膚上,從而給人體皮膚造成一種“粘糊糊”的不快之感,往往妨礙身體的活動(dòng)。近幾年的國(guó)內(nèi)紡織品市場(chǎng)上,對(duì)吸濕排汗紡織品需求呼聲逐漸高漲,已引起業(yè)界人士的關(guān)注。
在自然界中,許多生物體都能夠?qū)崿F(xiàn)液體的定向運(yùn)輸。研究發(fā)現(xiàn),這些生物體可以從稀薄的空氣中集水,再將收集的水自發(fā)定向運(yùn)輸?shù)阶炖锘蛏砩?,而這種本領(lǐng)一般是靠其精妙的微觀形貌實(shí)現(xiàn)的,其驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于表面的能量梯度和拉普拉斯壓力梯度。大量的研究結(jié)果表明,在液體定向運(yùn)輸領(lǐng)域仍然存在兩大挑戰(zhàn):(1)多層多孔結(jié)構(gòu)材料機(jī)械性能差且不穩(wěn)定,容易發(fā)生分層;(2)對(duì)于親-疏水雙面膜,需要較大的初始驅(qū)動(dòng)壓力并且液體容易發(fā)生堵塞;對(duì)于單純的親水膜,則很難操控液體的運(yùn)輸方向。
為了解決這一系列問題,北航江雷院士、田東亮團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種超親水-親水自支撐單層多孔的聚醚砜(PES)膜,實(shí)現(xiàn)了液體的定向運(yùn)輸。通過(guò)采用相轉(zhuǎn)化法,改變乙醇/水的體積比,能夠獲得具有不同運(yùn)輸行為的多孔膜,用于液體的單向滲透、雙向非滲透以及雙向滲透。對(duì)于乙醇/水-70%制備的多孔膜,能夠?qū)崿F(xiàn)寬pH范圍液體的定向運(yùn)輸。此外,多孔單層膜能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)的并且克服重力的液體定向運(yùn)輸,可用于設(shè)計(jì)除濕材料,吸濕排汗。該研究以題為“Highly Flexible Monolayered Porous Membrane with Superhydrophilicity–Hydrophilicity for Unidirectional Liquid Penetration”的論文發(fā)表在《ACS NANO》上。
【圖文解析】
解析:柔性多孔單層PES膜制備與表征。作者首先通過(guò)相轉(zhuǎn)化法制備了不同尺寸空隙的單層多孔膜,其中與玻璃基底接觸的I-面有較大的孔,II-面則形成較小的空隙。通過(guò)調(diào)控乙醇/水(E/W)的體積比,可以獲得孔隙從微米到納米尺度可調(diào)控的單層膜。其中以E/W-PES-70%為例,通過(guò)SEM圖像觀察,作者制備了~38 μm厚的單層多孔膜,證實(shí)膜兩面具有不同尺寸大小的孔隙。并且制備的單層膜在室溫,甚至液氮中都具有優(yōu)異的柔韌性。
解析:水滴在多孔PES膜上的運(yùn)輸行為。當(dāng)水滴滴到PES膜上時(shí),水滴從 II-面逐漸滲透到I-面,實(shí)現(xiàn)液體定向運(yùn)輸,此“液體二極管”行為適用于不同pH值( pH = 1-14 )的水滴。此外,不同乙醇/水體積比制備的多孔膜具有不同的液體運(yùn)輸行為。
解析:液滴在膜表面動(dòng)態(tài)浸潤(rùn)狀態(tài)。液滴迅速在I-面鋪展,在 II-面能滲透到I-面,并且鋪展面積相對(duì)較小。而此現(xiàn)象是由于膜表面孔隙尺寸大小不同所造成的。此外,初始PES的體積和濃度對(duì)單層膜液體運(yùn)輸行為具有一定影響,固定PES溶液濃度(Co),當(dāng)溶液體積為50–100 μL,能夠?qū)崿F(xiàn)液體定向運(yùn)輸;固定PES溶液體積(50 μL),濃度范圍為Co–1.5Co,能夠?qū)崿F(xiàn)液體定向運(yùn)輸。
解析:液滴定向運(yùn)輸機(jī)制。當(dāng)液滴接觸到單層膜時(shí),拉普拉斯壓(PL )
和靜水壓(PH)決定了液滴的浸潤(rùn)行為。其中PL 提供毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力,能驅(qū)動(dòng)液體滲透表面,而 PH可推動(dòng)液滴下滑。其中液體鋪展和滲透行為取決于膜孔隙尺寸梯度。根據(jù)公式:
當(dāng)PH> PL 時(shí),即ΔP > 0,水滴能夠穿過(guò)孔隙,透過(guò)表面。
解析:多孔PES單層膜克服重力的液體定向運(yùn)輸行為。基于PES單層膜的低壓液體定向運(yùn)輸行為,汗液可以快速導(dǎo)出,從而避免因?yàn)槌龊苟a(chǎn)生的粘稠和過(guò)冷的感覺。此外,液滴可以克服重力,自下而上地從膜的I-面運(yùn)輸?shù)?II-面。相比于傳統(tǒng)的棉紡織品,此單層膜具有低的粘附力和快速導(dǎo)汗能力,能夠讓皮膚感到更加的干爽和舒適。并且可以反復(fù)多次使用,具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
【小結(jié)】
本篇文章,研究人員采用相轉(zhuǎn)化法,開發(fā)了一種兩面具有微納孔隙尺寸結(jié)構(gòu)的超親水-親水單層多孔PES膜,可用于寬范圍pH值液體的定向運(yùn)輸以及克服重力的定向運(yùn)輸,制作過(guò)程簡(jiǎn)單有效。這種新穎的多孔單層膜具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、柔韌性和抗腐蝕性,可以廣泛用于速干面料、生物醫(yī)療和除濕材料等領(lǐng)域。
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