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东华大学丁彬教授团队:二维超细纳米蛛网材料的制备及最新进展
2021/7/29 13:43:51 admin

在第八届全国静电纺丝会议中,丁彬教授提出静电纺纤维的局限性在于纤维直径大于100nm,集合体的孔径大于3μm,因此,纳米纤维材料的过滤分离性能提升受到很大的限制。

如何细化纤维直径呢?从材料的结构优势方面解决,减小集合体的孔径和厚度,从而改善才材料的过滤分离性能。

目前,静电纺纳米纤维细化的方法有射流拉伸增强法、多组分纺丝、核壳纺丝、极稀溶液纺丝法等,但是前3种方法仅仅能得到少量直径为70nm的纤维,极稀溶液纺丝法制备的纤维只有极少数能达到6nm。此外,这些方法很难得到大量连续且均匀的纳米纤维,从而限制了其在各应用领域的进一步发展。

 

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基于此,2006 年,丁彬教授团队以 PAA 水溶液体系为纺丝原液,通过调控溶液性质、纺丝参数以及环境温湿度得到了大量疵点膜,而将溶剂换为乙醇时发现了大量类似蜘蛛网的结构,该结构以普通纳米纤维为支架,并随机分布着直径仅为 20nm 左右的二维网状纤维,这些网孔大多呈现为稳定的六边形结构且遵循 Steiner 最小树定律。他们将这种具有特殊结构的纤维材料命名为「纳米蛛网」,并认为纳米蛛网是在泰勒锥喷出射流的同时产生的微小带电液滴在电场中受力变形和分裂形成的,这个过程称作「静电喷网」。

2019年3月,东华大学俞建勇院士和丁彬教授团队在《Nature》子刊上发表文章,报道了将高分子量、低浓度聚合物溶液直接喷射形成二维纳米网络结构材料的方法。


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通过优化溶液本体特性,控制泰勒锥尖端荷电流体喷射模式,获得了高压电场中均匀悬浮分布的荷电液滴簇,进而通过调控收集器耦合诱导微电场的分布状态,实现了荷电液滴的形变\相变\自组装的精确调控,获得了纤维直径10-40 nm的二维纳米网络结构材料(纳米蛛网),并成功实现了蛛网制备原料种类的有效拓展。

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DOI: 10.1038/s41467-019-09444-y

同年7月,该团队通过改进技术,该团队利用新型湿度诱导“静电纺/喷”技术,以高偶极矩聚合物聚丙烯腈为原料,制备出了直径细(~20 nm)、孔径小(<300 nm)、孔隙率高(93.9%)且具有蓬松双网结构的纳米蛛网/纤维高效低阻空气过滤材料。

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该双网结构纳米蛛网/纤维材料可实现对空气中超细颗粒物的高效低阻过滤,其对最易穿透粒径颗粒物 PM0.3 的过滤效率高达 99.99%,阻力压降仅为大气压的 0.11%;同时,可快速净化室内空气 PM2.5 ,且具有长效循环使用性能。

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DOI: 10.1002/adfm.201904108

目前大多数过滤器体积庞大、不透明,并表现出PM0.3/病原体拦截效率低,不可避免地要在PM去除和空气渗透性之间进行权衡。该团队使用电喷网技术用于制造蜘蛛网启发的网络发生器(SWING)空气过滤器。

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由此产生的SWING过滤器显示出优异的长程静电性能,由风振驱动,实现了自维持PM粘附。结合纳米线(直径12 nm)组成的斯坦纳树状孔(直径200 ~ 300 nm), SWING过滤器具有高效(>99.995% PM0.3去除)、低空气阻力(<0.09%大气压)、高透明度(>82%)和对生物危害病原体的生物保护活性。

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 DOI: 10.1002/adma.202002361

超越石墨烯的二维网络结构碳纳米级构建块具有根本重要性,创建此类结构并开发其应用对环境、电子和能源具有广泛的影响。基于此,丁彬教授团队采用电喷涂/结网技术制备了具有良好互连的纳米级纤维(直径约 15 nm)的自组装二维碳纳米结构网络(N-nets)。

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宏观尺寸(米级)碳纳米结构网络显示出非凡的纳米结构特性、显着的柔韧性(具有硬无机基质的软聚合物力学)、纳米级导电性以及在过滤器、分离器、吸收剂和可穿戴设备等不同领域的出色性能电极、超级电容器和电池。

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 DOI: 10.1038/s41467-020-18977-6


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