静电纺纳米纤维膜由于其优异的防水和透气特性而引起了极大的兴趣，这些特性源于这些增强纺织品中相互连接和疏水通道的存在。这些独特的特性赋予了它们在各个领域的巨大潜力，包括医用敷料、口罩和防护服的应用。然而，它们也引起了人们对其耐用性、防水性能受损、透气性有限、机械强度不足以及生产成本高的担忧。此外，静电纺丝防水透气膜（WBM）的制造过程可能会对环境产生不利影响，因此需要改进可持续性和生态兼容性。

基于此，东华大学丁彬教授团队全面概述了静电纺丝防水透气膜的潜力和挑战，以及改进策略和未来的研究方向。相关内容以“Advancements in Electrospun Nanofibrous Membranes for Improved Waterproofing and Breathability”为题目，发表于期刊《Macromolecular Materials and Engineering》上。

本文要点：

1、本文介绍了电纺纳米纤维膜的制备方法、表征技术和性能评价方法。

2、讨论了电纺纳米纤维膜在防水透气材料中的应用。

3、此外，本文还探讨了电纺纳米纤维膜制备过程中的环境影响和可持续性问题，并提出了相应的解决方案。

图1 a)近十年静电纺丝和静电纺纳米纤维的年度出版物数量示意图(基于Web of Science的数据)。b)电纺丝纳米纤维膜的初步进展和创新。c) enm的运行机制。d)防水机理。e)通过菲克扩散定律阐明透气性机理。

静电纺纳米纤维膜具有防水和透气性，关键特性是什么？

这些特性包括高孔隙度、可定制的多孔结构和可修改的润湿特性。这些内部相互连接和疏水通道允许水蒸气和空气从内部扩散到外部环境，同时有效地排斥水分子并防止水从外部来源渗透。膜材料内部的孔被设计得足够小，以防止液态水滴的渗透，同时又足够大，以促进水蒸气的传输。这些特性使得静电纺纳米纤维膜非常适合用于防水、透气的服装、鞋类和其他产品。

如何提高静电纺防水透气膜性能?

1、参数的微调：对膜的结构参数进行微调，如孔径、孔隙度和厚度，对于实现透气性和防水性能之间的平衡至关重要。这可以通过优化制造工艺和控制膜的形成和条件来实现，以实现均匀、致密和无缺陷的膜结构。

2、多组分纺丝：多组分纺丝包括使用两种或两种以上的聚合物来制备具有增强性能的复合膜。这种技术允许不同材料的组合，以实现防水和透气性之间的平衡。

3、表面改性：表面改性包括使用化学或物理处理来改变膜的表面特性。该技术可以改善膜的疏水性或亲水性，从而提高膜的防水或透气性。

4、纳米颗粒掺入：纳米颗粒掺入膜可以提高其机械强度、耐久性和防水性能。

5、多孔膜结构：多孔膜结构、蜂窝膜结构、多层复合膜均可增强防水透气性能。

图2 a) PU/FPU膜的wvtr比较。b)不同孔隙率PU/FPU膜的WVTR以对数尺度表示。c)静水压力测量。d) DMF-FPU/PU系统相图。e)说明在射流拉伸和凝固过程中电荷耗散和非溶剂诱导相分离协同发生的示意图。f)不同RHs的RET值和WVTR。g)合成C4FPU的分子组成及其应用示意图。h)说明膜上氟化部分表面富集的示意图。i)应力应变曲线及j) PU/C4FPU/AgNO₃膜的抗菌活性。

图3 a) SBS静电纺纤维毡/聚酯复合材料的静电纺工艺配置和可视化描述。b) SBS静电纺纤维垫在应力作用下的变形示意图，比较有珠和无珠纤维垫的变形情况。c)双针静电纺丝装置示意图。展示水滴在不同纳米纤维表面上的行为示意图:d)纳米粗糙度的产生，e) Cassie状态的建立，以及Wenzel-Cassie混合状态的发生PANWA-NFs。f)应力-应变曲线。

图4 a)用ASO/SiO₂ NPs修饰的pan膜的制作过程示意图(PAN@ASO/SiO₂)。b)在不同SiO₂ NP浓度下PAN@ASO/SiO₂的WCA和推进接触角(���adv)测量。c) PAN@ASO/SiO₂暴露于pH为12的高碱性溶液时���adv的变化。d)制备WBA/TiO2修饰的PA-6(PA-6@WBA/TiO2)膜的步骤。e)纤维膜的紫外线防护系数值PA-6@WBA/TiO2随变化而变化TiO2纳米颗粒浓度。f)在黑暗和可见光条件下用纤维膜处理的大肠杆菌菌落的图像。g)PA-6@WBA/TiO2-3膜大肠杆菌细胞在可见光照射前后的形态学变化。

图5 a)聚四氟乙烯多孔膜制作工艺的示意图。b)未经处理的PA-6膜和经PU溶液处理的PA-6膜的WCA。c) PA-6膜经PU溶液处理前后WCA变化示意图。

如何解决静电纺膜制造过程对环境的影响，以提高可持续性和生态兼容性?

1、材料选择：选择环保、可持续的材料生产膜，可以显著减少对环境的影响。比如，使用可生物降解聚合物或天然材料。

2、绿色加工技术：实施绿色加工技术，如使用无毒溶剂，减少能源消耗，尽量减少废物产生，有助于制造过程的可持续性。

3、回收和废物管理：制定制造过程中使用材料的回收和适当废物管理可以减少环境足迹并促进生态兼容性。

4、环保后处理：利用环保后处理技术最大限度地减少静电纺丝膜制备过程对环境的影响。

图6 a) PMHS/PU膜制作原理图。b) PU/HSG复合膜制备工艺示意图。c)硅胶终端蚀变。d) PU/SiO₂膜的制备示意图。e) PU/SiO₂膜的WVTR和透气性。f) PU/SiO₂纳米纤维膜制备示意图。g) SiO₂颗粒与PU/4,4′-MDI-0.4/APTES-2的集成反应。

图7 电纺纳米纤维WBMs存在的挑战及未来趋势。

原文链接：https://doi.org/10.1002/mame.202300312