多尺度互連多孔janus膜用于增強定向水分輸送

DOI:10.1016/j.jcis.2020.01.063

假設：舒適功能性紡織品的使用日益增多，導致對紡織品具備卓越的定向水分（汗液）傳輸特性的需求增加。然而，設計這種各向異性的功能性紡織品，使汗液能夠快速滲透到一個方向，但可防止汗液反向運動，仍然是一項具有挑戰性的任務。在這方面，利用超親水性水解多孔聚丙烯腈（HPPAN）納米纖維和疏水性聚氨酯（PU）纖維的合理組合，通過靜電紡絲制備具有多尺度互連的纖維間和纖維內孔隙的新型Janus膜，以增強水分的定向輸送，這或許是一種非常可行的方法。

實驗：PAN/PVP復合納米纖維由溶解在DMF中的PAN/PVP復合溶液電紡而成。靜電紡絲工藝后，對電紡纖維進行反復洗滌，以選擇性地從纖維基質中除去PVP，從而開發出高度粗糙且多孔的PAN（PPAN）納米纖維。然后將所得PPAN納米纖維水解以進一步提高其潤濕性。最后，通過靜電紡絲在HPPAN納米纖維上直接沉積一層PU纖維，以制備后續的Janus膜。

結果：合成的PU/HPPAN Janus膜具有良好的正向水分傳輸特性，且具有優異的定向水分傳輸指數（R=1311.3%），而對反向水分運動具有良好的阻力（即突破壓力≥17.1 cm H2O）。此外，本文還提出了一個合理的機制，闡明了孔隙間和孔隙內對增強定向水分輸送的作用。基于所提出的相干機制，成功地制備出如此優質的Janus膜，為新型功能性紡織品在快速排汗和個人干燥方面的應用提供了新的思路。

圖1.PU/HPPAN納米纖維復合膜的結構設計和水傳輸行為。（a）用于制備雙層PU/HPPAN納米纖維復合膜的制備過程示意圖。（b）兩側PU/HPPAN納米纖維復合膜上水傳輸行為的數字演示。（c）數字圖像顯示了PU/HPPAN納米纖維復合膜的快速干燥特性。

圖2.（a-c）分別為原始PAN、PPAN和HPPAN納米纖維的表面形態，（d-f）分別為橫截面FE-SEM圖像和（g-i）AFM圖像，顯示了相應原始PAN、PPAN和HPPAN納米纖維的表面粗糙度。

圖3.親水層的結構表征。（a）原始PAN、PPAN和HPPAN納米纖維的FT-IR光譜、（b）纖維間孔徑分布、（c）N2吸附/解吸等溫線以及（d）纖維內孔徑分布。

圖4.親水層中的水傳輸和水分蒸發行為。（a）原始PAN、PPAN和HPPAN納米纖維的WCA、（b）水擴散面積、（c）芯吸高度和（d）水分蒸發率。

圖5.PU/HPPAN復合膜的結構設計和水傳輸行為。（a）PU/HPPAN膜的橫截面SEM圖像，（b）PU纖維的表面形態和潤濕性。（c）垂直放置在水中的兩層PU/HPPAN復合膜上的毛細管凸起的剖視圖。（d）相應時間的WCA，以及（e）數字顯示兩層復合膜中的水傳輸。（f）雙層膜兩側的各向異性穿透壓力。（g-i）雙層PU/PAN、PU/PPAN和PU/HPPAN復合膜的MMT結果，插圖是在相應樣品的MMT測試結束時兩層中的水位。

圖6.所得雙層復合膜在PAN層（a）以及正（b i）和反（b ii）方向上水傳輸的可能機理。