静电纺丝制备具有浸润性梯度的聚酰亚胺纳米纤维膜.pdf

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1、Vo1．33高等学校化学学报No．52012年5月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIESl090～1094静电纺丝制备具有浸润性梯度的聚酰亚胺纳米纤维膜王妹瑛，李敏，龚光明，王景明，吴俊涛，江雷，。(1．北京航空航天大学化学与环境学院，2．材料科学与工程学院，北京100191；3．’中国科学院化学研究所分子科学国家实验室(筹)，北京100190)摘要采用高压静电纺丝技术，在非对称异型电极上制备得到放射状聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜．采用环境扫描电子显微镜(ESEM)观察了PI膜的微观形貌以及纳米纤维的排列状态；采用接

2、触角测量仪研究了水滴浸润性的变化；采用高敏感性力学微电力学天平测量了水滴的黏附力，分析了微观形貌变化与水滴浸润性质和黏附性质的关系．结果表明，该PI纳米纤维膜沿着非对称异型电极三角电极至弧型电极方向纤维排列由密到疏，呈放射状，具有独特的微结构梯度；整个纤维膜上的PI纳米纤维直径均一且具有光滑均匀表面，纤维与纤维之间的距离约为几微米到几十微米．由于PI纳米纤维膜所具有的独特的微结构梯度，致使沿着微结构梯度方向水滴的接触角(从超疏水到疏水)和黏附力(从低黏附到高黏附)均表现出梯度变化的特征．关键词梯度微观结构；聚酰亚胺；纳米纤维膜；静电纺丝；梯度润湿性

3、中图分类号O631；0647．5文献标识码ADOI：10．3969／j．issn．0251-0790．2012．05．041浸润性梯度表面作为固体表面材料的一个重要分支，对于构建可控性浸润表面具有重要意义，被广泛用于能源、生物、医学及微流动控制等领域。J．浸润性梯度表面是指固体表面的浸润性沿平行于表面方向连续变化的表面．表面化学组成和微观结构是决定固体表面浸润性的主要因素，合理控制固体表面的化学组成和微观结构能够有效调控固体表面浸润性．可以通过表面化学组成梯度和微观结构梯度两种方式实现润湿性梯度表面的构筑．按照构筑方式的不同，浸润性梯度表面可分为化

4、学组成梯度表面和微观结构梯度表面j．Greenspan¨5和Chaudhury等通过在光滑的水平表面上自组装具有密度梯度的低表面能物质，构筑了具有化学组成梯度的固体表面，并实现了液滴的定向驱动．然而，单纯通过化学组成梯度构筑的光滑固体表面的浸润性不仅变化范围相对较小，而且在光滑的固体表面很难实现超疏水状态．因此，要获得更大的浸润性变化范围以及超疏水状态，通常需要在具有一定粗糙结构的固体表面构筑化学组成梯度．Han等引通过温度梯度控制规整排列的聚苯乙烯(Ps)小球和多孔低密度聚乙烯(LDPE)的熔融程度制备出表面微结构呈梯度变化的薄膜材料，实现薄膜表

5、面浸润性梯度变化．目前，用于构筑润湿性微观结构梯度表面材料的制备方法大多是外加具有定向分布的可控能量场，如电沉积过程中的电位差]、加热过程中的温度梯度及轴向拉伸过程的拉伸率叫等．然而，这些制备方法都需要通过严格控制加工过程中的能量参数，工艺控制较为复杂，不利于制备尺寸较大的样品，能量消耗也较大．静电纺丝技术作为一种新型制备连续长纤维的纺丝方法⋯，不仅能够制备直径从几纳米到几微米的纤维，而且制备出的纳米纤维直径更加细小均一、纤维线密度和比表面积更大、界面性能和吸附性能更好n．此外，静电纺丝法操作简便、成本低廉且对环境污染较小，已成为工业级纤维制备中最

6、具潜力的方法之一_1．通过静电纺丝技术制备具有特殊浸润性的功能材料，已成为近年来浸润性研究领域的热点之一l1．人们通过合理设计接收电极的形状和分布，可有效地控制所得纤维的排列状态，收稿日期：2011-08—11．基金项目：国家自然科学基金(批准号：20901006)和中央高校基本业务科研费专项资金(批准号：YwF一10-01一B16)资助．联系人简介：王景明，女，博士，讲师，主要从事仿生智能界面材料的界面性质研究．E—mail：wangim@buaa．edu．cn吴俊涛，男，博士，副教授，主要从事航空航天用高性能、功能性高分子材料研究．E-mail

7、：wjt@buaa．edu．cnNo．5王姝瑛等：静电纺丝制备具有浸润性梯度的聚酰亚胺纳来纤维膜1091得到具有特殊微观形貌特征的纤维．如Bomat_1利用辅助电场沉积制备管状纤维；文献[16，17]中采用槽状接收电极和平行缠绕镍铬线滚筒制备了平行取向纳米纤维．本文采用非对称异型电极，通过静电纺丝技术，制备了放射状的聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜．通过控制纳米纤维的排布密度构筑独特的微结构梯度表面，得到了浸润性梯度薄膜，即沿着放射状结构表面纤维发散方向，浸润状态从超疏水到疏水且黏附力逐渐增大．这种新型的具有浸润性梯度的PI纳米纤维膜有望在液滴驱动、微流

8、体设计控制和智能响应性变化等领域得到应用．1实验部分1．1试剂与仪器1，2，4，5一均苯四甲酸二酐(PMDA)购于上海毕得