東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士及丁彬教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，日前在 《Polymers 》期刊發(fā)布了《基于靜電紡絲的生物基聚氨酯彈性納米纖維膜優(yōu)化及其在防水透氣領(lǐng)域的應(yīng)用》一項(xiàng)研究。團(tuán)隊(duì)通過靜電紡絲技術(shù)成功制備出具有防水透氣性能的生物基聚氨酯納米纖維膜。這一成果為生物基聚氨酯材料的發(fā)展及其在功能紡織品等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路與方法。
防水透氣膜（WBMs）因卓越的防水性能和高水蒸氣透過性廣受關(guān)注，逐漸成為戶外服裝、智能紡織品和醫(yī)用防護(hù)裝備等眾多領(lǐng)域的材料新寵。然而，傳統(tǒng)的防水透氣膜材料如聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯等，普遍存在靈活性不足、生物相容性差、環(huán)境不友好以及不可再生等問題。隨著可持續(xù)發(fā)展理念的推廣，生物基材料以其環(huán)境友好性逐漸成為研究熱點(diǎn)。生物基聚氨酯（BPU ）不僅具備傳統(tǒng)石油基聚氨酯的優(yōu)異機(jī)械性能、柔韌性和防水性，還在環(huán)境影響、健康與安全方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)和功能紡織品等領(lǐng)域都具有應(yīng)用潛力。靜電紡絲是制備 WBMs 的先進(jìn)技術(shù)，但如何保持PU溶液紡絲的穩(wěn)定性是一大挑戰(zhàn)，本研究旨在通過優(yōu)化BPU原料和紡絲條件，解決 BPU 納米纖維的快速穩(wěn)定生產(chǎn)問題。
在本研究中，使用聚丁二酸丁二醇酯（PBSe）、聚氧丙烯二醇（PO3G）、乙二醇（EG）和二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）合成了紡絲性能優(yōu)異的 PBSe/PO3G-BPU。通過不同濃度（12 wt%、16 wt%、20 wt%、24 wt%）的溶液制備了 BPU 納米纖維膜（見圖1）。該 BPU 防水透氣納米纖維膜以 PBSe 和 PO3G 為軟鏈段，兼具聚酯和聚醚聚氨酯的優(yōu)點(diǎn)，具有出色的可紡性。與傳統(tǒng)膜相比，這種納米纖維膜不僅克服了傳統(tǒng) WBM 柔韌性不足的問題，還簡化了靜電紡絲工藝。
研究還對(duì)膜的形態(tài)、機(jī)械性能、疏水性和透氣性進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明，靜電紡絲工藝顯著提高了 PBSe/PO3G-BPU 硬鏈段的結(jié)晶度，同時(shí)增加了軟鏈段的分子運(yùn)動(dòng)能力。這些特性使纖維具有卓越的柔韌性和改善的機(jī)械性能。此外，在 BPU 溶液濃度為 20% 時(shí)，制備的納米纖維膜展現(xiàn)出 15.6 MPa 的拉伸強(qiáng)度和 440.8% 的斷裂伸長率，表現(xiàn)出卓越的柔韌性，增強(qiáng)了其在穿戴過程中的耐久性。而較低濃度（12 wt% 和 16 wt%）導(dǎo)致纖維成型不足，性能較差；較高濃度（24 wt%）顯著降低纖維均勻性，影響整體性能。本研究提出的快速構(gòu)建生物基防水透氣納米纖維膜的高效方法顯示出巨大的潛力，這種創(chuàng)新防水透氣膜材料也許可以擴(kuò)展應(yīng)用到其他領(lǐng)域，如如生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和建筑膜材料等。本研究進(jìn)一步推動(dòng)了生物基聚氨酯材料的發(fā)展以及防水透氣膜技術(shù)的進(jìn)步。在快速制備防水透氣納米纖維膜這塊，除了可以優(yōu)化紡絲原料的配方，紡絲的條件也是很重要。微邁自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)級(jí)小試靜電紡絲設(shè)備MN60，是專為實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)業(yè)化配方開發(fā)設(shè)計(jì)的靜電紡絲設(shè)備，搭載100多針模塊化陣列與智能下紡系統(tǒng)。該設(shè)備突破傳統(tǒng)單針實(shí)驗(yàn)的局限性，可快速生成大尺寸樣品（幅寬600mm），精準(zhǔn)模擬量產(chǎn)條件，助力科研團(tuán)隊(duì)高效完成配方優(yōu)化、工藝驗(yàn)證及科研成果的轉(zhuǎn)化。
