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小助剂帮助实现聚酰亚胺静电纺丝“水性化”

基于静电纺丝技术构筑的海绵状多孔材料具有孔隙率高、质轻以及多功能性等优点。随着近年来短纤维技术及聚合物功能材料制备技术的不断进步,使得电纺海绵材料作为一种新型开孔三维材料得到广泛的应用关注。其中,聚酰亚胺(PI)基电纺海绵多孔材料基于其优异的机械性能和热稳定性能成为该领域的研究热点。但是,以往的PI电纺技术多以1,4-二氧六环等非水溶剂为媒介,溶剂毒性造成不可避免的环境污染和人体健康危害。另一方面,采用传统有机溶剂静电纺丝技术制备的PI多孔电纺材料表面多呈疏水特性,极大地限制了其应用领域的拓展。


近日,德国拜罗伊特大学Andreas Greiner韩国科学技术学院(KAIST)Il-Doo Kim研究团队合作,以含十二烷基苯磺酸钠(SDBS)表面活性剂的水溶液为溶剂体系,突破性的实现了表面具有亲水特性PI电纺海绵多孔材料(sPI)的制备。基于SDBS助剂添加,所制备多孔PI材料表面呈现可调控的亲水特性,多孔PI在水溶液中具有优异的尺寸稳定性,吸水能力达5000%。该研究成果在亲水性电纺海绵材料制备方面具有里程碑意义,在生物组织工程、油水分离等领域具有广阔的技术应用前景。

PI电纺海绵制备过程及表面性能展示。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


通过高剪切混合将长PI纤维裁剪成短纤维,添加少量(e.g., 1 wt %)SDBS表面活性剂为分散助剂后,其能够在水溶液中实现稳定分散。进一步加入聚酰胺酸溶液后,混合溶液也呈现较好的相容性;其中聚酰胺酸在此后电纺制备sPI海绵材料过程中起到粘结剂的作用、引入SDBS表面活性剂后sPI亚胺化固化温度提高至280 ℃,这两个方面因素是保证PI海绵材料优异机械性能的关键。

sPI海绵材料表面亲疏性及吸收性能调控。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


区别于传统的静电纺丝技术,加入SDBS为助剂后所制备sPI海绵材料表面呈现明显的亲水特性(水滴完全润湿所需时间<100 ms)。同时,系统研究表明通过调控SDBS表面活性剂添加浓度以及溶液中PI短纤维含量能够对sPI海绵材料亲水性(水接触角)和吸水能力进行调控。其中,研究表明2.0 wt%含量SDBS的加入足以保证所制备PI材料表面呈现亲水性。

sPI海绵材料机械性能测试。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


同时,虽然传统PI材质具有固有的疏水性,该研究中所制备sPI海绵材料呈现卓越的吸水能力以及循环测试性能稳定性;当SDBS含量为PI纤维质量10 wt%时,sPI海绵材料(SDBS(10%)-sPI)初始吸水率达到5000 wt %(最佳)。此外,循环压缩性能测试表明sPI海绵材料体系展现出优异的机械性能和多孔尺寸稳定性。

聚丙烯腈多孔海绵的制备应用拓展。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


为展示该静电纺丝技术的普适性,研究人员进一步采用SDBS辅助制备了聚丙烯腈(PAN)海绵材料。添加10 wt % SDBS,所制备PAN多孔材料密度为5.7 mg cm-3、材料表面呈强亲水性且具有卓越的压缩循环测试(100余次)性能稳定性。此外,基于sPI海绵材料表面的亲水特性,多孔材料可作为菌膜基底用于不同功能生物膜的培育,在生物燃料电池等领域的具有重要的潜在应用。

sPI海绵材料细菌培养应用。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces


总结


表面活性剂作为一种典型的两亲性大分子化合物,广泛的应用于工业生产和日常生活中。该研究创造性的以微量传统SDBS为溶液助剂,实现了聚酰亚胺等聚合物材料体系静电纺丝技“水性化”简便制备。该研究成果中多孔材料表面亲水改性技术及其策略的普适性,将极大地突破传统聚合物材料固有疏水特性带来的应用局限性。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Ultralight, Structurally Stable Electrospun Sponges with Tailored Hydrophilicity as a Novel Material Platform

Jun Young Cheong, Mahsa Mafi, Lothar Benker, Jian Zhu, Michael Mader, Chen Liang, Haoqing Hou, Seema Agarwal, Il-Doo Kim*, Andreas Greiner*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 18002–18011, DOI: 10.1021/acsami.0c03103


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