导读：

近期，南京工业大学仲兆祥教授团队通过连续静电纺丝后的水热处理，成功制备了具有不对称润湿性和松针状结构的多功能纳米纤维膜，该膜可用于增强吸湿排汗。相关研究成果以“Multi-functional nanofiber membranes with asymmetric wettability and pine-needle-like structure for enhanced moisture-wicking”为题目，发表于期刊《Chemical Engineering Journal》上。

本文要点：

1、通过连续静电纺丝后的水热处理，成功制备了具有不对称润湿性和松针状结构的多功能纳米纤维膜。

2、原位生长在亲水性聚丙烯腈(PAN)纤维上的氧化锌(ZnO)纳米棒通过延伸到疏水性聚偏氟乙烯(PVDF)通道来引导水的转移，增强了水的单向输送。

3、同时，ZnO纳米棒还能释放抗菌活性成分，增加纤维与气溶胶之间的接触，从而在气溶胶被膜捕获后使有害微生物失活。

4、PVDF/(ZnO NRs@PAN)膜具有优异的水蒸气输送率(12.47 kg m⁻²d⁻¹)、3去除率(99.83%)和细菌抑制率(99.99%)。经过10次循环过滤和清洗后，膜仍保持较高的过滤性能。

5、该膜在涉及气溶胶过滤、水分管理和微生物抑制的场景中具有广泛的应用前景，例如口罩、防护服和新风系统。

一图读懂全文：

多功能纳米纤维膜的制备过程：

在这项研究中，研究人员通过将氧化锌纳米棒生长在亲水纤维上，制备了具有不对称润湿性和松针状结构的PVDF/(PAN-ZnO)膜。

1、首先在PAN纤维中引入了Zn(Ac)₂，并在130°C的热处理条件下将其转化为ZnO。

2、然后，通过水热反应，在PVDF/(PAN-ZnO)膜的PAN-ZnO纤维中原位生长了ZnO纳米棒。

3、最终，经过充分的水洗和干燥，得到了具有不对称润湿性和松针状结构的PVDF/(ZnO NRs@PAN)膜。

图1 PVDF/(ZnO NRs@PAN)纳米纤维膜的制备工艺示意图。

纳米纤维膜的不对称润湿性如何有助于增强排湿?

纳米纤维膜的不对称润湿性促进了水分的定向输送，从而增强了吸湿性能。这是通过设计具有疏水和亲水区域的膜来实现的，允许水的单向运动。在亲水性纤维上存在松针状氧化锌纳米棒，进一步增强了这种定向输水机制，降低了输水所需的驱动力，最终提高了吸湿能力。

图2 (a-b)不同制备阶段PAN膜的SEM图像，(d) XRD， (e) FTIR。

图3 在Zn²⁺浓度为10、20、30、40、50和75 mM的不同溶液中制备的ZnO@PAN纤维的(a-f) SEM图像，(g)孔径分布，(f)气体渗透率。

图4 (a)不同ZnO形貌下ZnO@PAN的水接触角和(b)附着力。

图5 (a-b) WCA曲线和(c-f)水滴在PVDF/PAN和PVDF/(ZnO NRs@PAN)膜不同侧面的光学照片。

图6 (a-b)用力分析推导拉普拉斯压力的详细公式。(c-f)具有不对称润湿性和针状ZnO纳米棒的膜中可能的水输运机制。

图7 (a) PVDF/PAN和PVDF/(ZnO NRs@PAN)膜的WVTR和(b-c)可能的水汽输送机制。(d)单向水输运指数、吸干速率；(e)样品水分蒸发能力。

图8 (a)空白对照组、PVDF/PAN、PVDF/(PAN-ZnO)和PVDF/(ZnO)NRs@PAN)膜琼脂培养皿上大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌落的光学图像。(b) PVDF/PAN、PVDF/(PANZnO)和PVDF/(ZnO NRs@PAN)的孔径分布、(c)空气渗透率、(d)压降、(e) PM过滤效率和(f)质量因子。

图9 研究了PVDF/(ZnO NRs@PAN)膜在使用和清洗过程中的过滤效率、压降和质量因子(Qf)。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143709