过去,人们都喜欢用棉花做制造运动服的纺织原料,因为亲水基的棉制品具有在出汗时吸汗水的性质,可棉纤维的保水性也是非常强的,棉纤维在吸入了汗水之后,干燥速度很慢。此外,浸润水分的棉织物重量加重,其运气性下降并粘贴在皮肤上,从而给人体皮肤造成一种“粘糊糊”的不快之感,往往妨碍身体的活动。近几年的国内纺织品市场上,对吸湿排汗纺织品需求呼声逐渐高涨,已引起业界人士的关注。
在自然界中,许多生物体都能够实现液体的定向运输。研究发现,这些生物体可以从稀薄的空气中集水,再将收集的水自发定向运输到嘴里或身上,而这种本领一般是靠其精妙的微观形貌实现的,其驱动力主要来源于表面的能量梯度和拉普拉斯压力梯度。大量的研究结果表明,在液体定向运输领域仍然存在两大挑战:(1)多层多孔结构材料机械性能差且不稳定,容易发生分层;(2)对于亲-疏水双面膜,需要较大的初始驱动压力并且液体容易发生堵塞;对于单纯的亲水膜,则很难操控液体的运输方向。
为了解决这一系列问题,北航江雷院士、田东亮团队设计并构筑了一种超亲水-亲水自支撑单层多孔的聚醚砜(PES)膜,实现了液体的定向运输。通过采用相转化法,改变乙醇/水的体积比,能够获得具有不同运输行为的多孔膜,用于液体的单向渗透、双向非渗透以及双向渗透。对于乙醇/水-70%制备的多孔膜,能够实现宽pH范围液体的定向运输。此外,多孔单层膜能够实现持续的并且克服重力的液体定向运输,可用于设计除湿材料,吸湿排汗。该研究以题为“Highly Flexible Monolayered Porous Membrane with Superhydrophilicity–Hydrophilicity for Unidirectional Liquid Penetration”的论文发表在《ACS NANO》上。
【图文解析】
解析:柔性多孔单层PES膜制备与表征。作者首先通过相转化法制备了不同尺寸空隙的单层多孔膜,其中与玻璃基底接触的I-面有较大的孔,II-面则形成较小的空隙。通过调控乙醇/水(E/W)的体积比,可以获得孔隙从微米到纳米尺度可调控的单层膜。其中以E/W-PES-70%为例,通过SEM图像观察,作者制备了∼38 μm厚的单层多孔膜,证实膜两面具有不同尺寸大小的孔隙。并且制备的单层膜在室温,甚至液氮中都具有优异的柔韧性。
解析:水滴在多孔PES膜上的运输行为。当水滴滴到PES膜上时,水滴从 II-面逐渐渗透到I-面,实现液体定向运输,此“液体二极管”行为适用于不同pH值( pH = 1-14 )的水滴。此外,不同乙醇/水体积比制备的多孔膜具有不同的液体运输行为。
解析:液滴在膜表面动态浸润状态。液滴迅速在I-面铺展,在 II-面能渗透到I-面,并且铺展面积相对较小。而此现象是由于膜表面孔隙尺寸大小不同所造成的。此外,初始PES的体积和浓度对单层膜液体运输行为具有一定影响,固定PES溶液浓度(Co),当溶液体积为50–100 μL,能够实现液体定向运输;固定PES溶液体积(50 μL),浓度范围为Co–1.5Co,能够实现液体定向运输。
解析:液滴定向运输机制。当液滴接触到单层膜时,拉普拉斯压(PL )
和静水压(PH)决定了液滴的浸润行为。其中PL 提供毛细驱动力,能驱动液体渗透表面,而 PH可推动液滴下滑。其中液体铺展和渗透行为取决于膜孔隙尺寸梯度。根据公式:
当PH> PL 时,即ΔP > 0,水滴能够穿过孔隙,透过表面。
解析:多孔PES单层膜克服重力的液体定向运输行为。基于PES单层膜的低压液体定向运输行为,汗液可以快速导出,从而避免因为出汗而产生的粘稠和过冷的感觉。此外,液滴可以克服重力,自下而上地从膜的I-面运输到 II-面。相比于传统的棉纺织品,此单层膜具有低的粘附力和快速导汗能力,能够让皮肤感到更加的干爽和舒适。并且可以反复多次使用,具有优异的稳定性。
【小结】
本篇文章,研究人员采用相转化法,开发了一种两面具有微纳孔隙尺寸结构的超亲水-亲水单层多孔PES膜,可用于宽范围pH值液体的定向运输以及克服重力的定向运输,制作过程简单有效。这种新颖的多孔单层膜具有优异的稳定性、柔韧性和抗腐蚀性,可以广泛用于速干面料、生物医疗和除湿材料等领域。
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