江雷院士/田東亮《ACS Nano》:高度柔性的單層多孔膜,讓你告別夏天“粘糊糊”的不快之感

過去,人們都喜歡用棉花做制造運動服的紡織原料,因為親水基的棉制品具有在出汗時吸汗水的性質,可棉纖維的保水性也是非常強的,棉纖維在吸入瞭汗水之後,幹燥速度很慢。此外,浸潤水分的棉織物重量加重,其運氣性下降並粘貼在皮膚上,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。近幾年的國內紡織品市場上,對吸濕排汗紡織品需求呼聲逐漸高漲,已引起業界人士的關註。

江雷院士/田東亮《ACS Nano》:高度柔性的單層多孔膜,讓你告別夏天“粘糊糊”的不快之感

在自然界中,許多生物體都能夠實現液體的定向運輸。研究發現,這些生物體可以從稀薄的空氣中集水,再將收集的水自發定向運輸到嘴裡或身上,而這種本領一般是靠其精妙的微觀形貌實現的,其驅動力主要來源於表面的能量梯度和拉普拉斯壓力梯度。大量的研究結果表明,在液體定向運輸領域仍然存在兩大挑戰:(1)多層多孔結構材料機械性能差且不穩定,容易發生分層;(2)對於親-疏水雙面膜,需要較大的初始驅動壓力並且液體容易發生堵塞;對於單純的親水膜,則很難操控液體的運輸方向。

為瞭解決這一系列問題,北航江雷院士、田東亮團隊設計並構築瞭一種超親水-親水自支撐單層多孔的聚醚砜(PES)膜,實現瞭液體的定向運輸。通過采用相轉化法,改變乙醇/水的體積比,能夠獲得具有不同運輸行為的多孔膜,用於液體的單向滲透、雙向非滲透以及雙向滲透。對於乙醇/水-70%制備的多孔膜,能夠實現寬pH范圍液體的定向運輸。此外,多孔單層膜能夠實現持續的並且克服重力的液體定向運輸,可用於設計除濕材料,吸濕排汗。該研究以題為“Highly Flexible Monolayered Porous Membrane with Superhydrophilicity–Hydrophilicity for Unidirectional Liquid Penetration”的論文發表在《ACS NANO》上。

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【圖文解析】

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圖1. 柔性多孔單層PES膜制備與表征。

解析:柔性多孔單層PES膜制備與表征。作者首先通過相轉化法制備瞭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。通過調控乙醇/水(E/W)的體積比,可以獲得孔隙從微米到納米尺度可調控的單層膜。其中以E/W-PES-70%為例,通過SEM圖像觀察,作者制備瞭∼38 μm厚的單層多孔膜,證實膜兩面具有不同尺寸大小的孔隙。並且制備的單層膜在室溫,甚至液氮中都具有優異的柔韌性。

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圖2. 水滴在多孔PES膜上的運輸行為。

解析:水滴在多孔PES膜上的運輸行為。當水滴滴到PES膜上時,水滴從 II-面逐漸滲透到I-面,實現液體定向運輸,此“液體二極管”行為適用於不同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輸行為。

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圖3.液滴在膜表面動態浸潤狀態

解析:液滴在膜表面動態浸潤狀態。液滴迅速在I-面鋪展,在 II-面能滲透到I-面,並且鋪展面積相對較小。而此現象是由於膜表面孔隙尺寸大小不同所造成的。此外,初始PES的體積和濃度對單層膜液體運輸行為具有一定影響,固定PES溶液濃度(Co),當溶液體積為50–100 μL,能夠實現液體定向運輸;固定PES溶液體積(50 μL),濃度范圍為Co–1.5Co,能夠實現液體定向運輸。

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圖4.液滴定向運輸機制

解析:液滴定向運輸機制。當液滴接觸到單層膜時,拉普拉斯壓(PL )

和靜水壓(PH)決定瞭液滴的浸潤行為。其中PL 提供毛細驅動力,能驅動液體滲透表面,而 PH可推動液滴下滑。其中液體鋪展和滲透行為取決於膜孔隙尺寸梯度。根據公式:

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當PH> PL 時,即ΔP > 0,水滴能夠穿過孔隙,透過表面。

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圖5.多孔PES單層膜克服重力的液體定向運輸行為

解析:多孔PES單層膜克服重力的液體定向運輸行為。基於PES單層膜的低壓液體定向運輸行為,汗液可以快速導出,從而避免因為出汗而產生的粘稠和過冷的感覺。此外,液滴可以克服重力,自下而上地從膜的I-面運輸到 II-面。相比於傳統的棉紡織品,此單層膜具有低的粘附力和快速導汗能力,能夠讓皮膚感到更加的幹爽和舒適。並且可以反復多次使用,具有優異的穩定性。

【小結】

本篇文章,研究人員采用相轉化法,開發瞭一種兩面具有微納孔隙尺寸結構的超親水-親水單層多孔PES膜,可用於寬范圍pH值液體的定向運輸以及克服重力的定向運輸,制作過程簡單有效。這種新穎的多孔單層膜具有優異的穩定性、柔韌性和抗腐蝕性,可以廣泛用於速幹面料、生物醫療和除濕材料等領域。

原文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c02558

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