基于靜電紡絲技術(shù)構(gòu)筑的海綿狀多孔材料具有孔隙率高、質(zhì)輕以及多功能性等優(yōu)點(diǎn)。隨著近年來短纖維技術(shù)及聚合物功能材料制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得電紡海綿材料作為一種新型開孔三維材料得到廣泛的應(yīng)用關(guān)注。其中，聚酰亞胺（PI）基電紡海綿多孔材料基于其優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性能成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是，以往的PI電紡技術(shù)多以1,4-二氧六環(huán)等非水溶劑為媒介，溶劑毒性造成不可避免的環(huán)境污染和人體健康危害。另一方面，采用傳統(tǒng)有機(jī)溶劑靜電紡絲技術(shù)制備的PI多孔電紡材料表面多呈疏水特性，極大地限制了其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。

近日，德國拜羅伊特大學(xué)Andreas Greiner和韓國科學(xué)技術(shù)學(xué)院（KAIST）Il-Doo Kim研究團(tuán)隊(duì)合作，以含十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）表面活性劑的水溶液為溶劑體系，突破性的實(shí)現(xiàn)了表面具有親水特性PI電紡海綿多孔材料（sPI）的制備。基于SDBS助劑添加，所制備多孔PI材料表面呈現(xiàn)可調(diào)控的親水特性，多孔PI在水溶液中具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性，吸水能力達(dá)5000%。該研究成果在親水性電紡海綿材料制備方面具有里程碑意義，在生物組織工程、油水分離等領(lǐng)域具有廣闊的技術(shù)應(yīng)用前景。

PI電紡海綿制備過程及表面性能展示。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

通過高剪切混合將長PI纖維裁剪成短纖維，添加少量（e.g., 1 wt %）SDBS表面活性劑為分散助劑后，其能夠在水溶液中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定分散。進(jìn)一步加入聚酰胺酸溶液后，混合溶液也呈現(xiàn)較好的相容性；其中聚酰胺酸在此后電紡制備sPI海綿材料過程中起到粘結(jié)劑的作用、引入SDBS表面活性劑后sPI亞胺化固化溫度提高至280 ℃，這兩個(gè)方面因素是保證PI海綿材料優(yōu)異機(jī)械性能的關(guān)鍵。

sPI海綿材料表面親疏性及吸收性能調(diào)控。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

區(qū)別于傳統(tǒng)的靜電紡絲技術(shù)，加入SDBS為助劑后所制備sPI海綿材料表面呈現(xiàn)明顯的親水特性（水滴完全潤濕所需時(shí)間＜100 ms）。同時(shí)，系統(tǒng)研究表明通過調(diào)控SDBS表面活性劑添加濃度以及溶液中PI短纖維含量能夠?qū)PI海綿材料親水性（水接觸角）和吸水能力進(jìn)行調(diào)控。其中，研究表明2.0 wt%含量SDBS的加入足以保證所制備PI材料表面呈現(xiàn)親水性。

sPI海綿材料機(jī)械性能測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

同時(shí)，雖然傳統(tǒng)PI材質(zhì)具有固有的疏水性，該研究中所制備sPI海綿材料呈現(xiàn)卓越的吸水能力以及循環(huán)測試性能穩(wěn)定性；當(dāng)SDBS含量為PI纖維質(zhì)量10 wt%時(shí)，sPI海綿材料（SDBS(10%)-sPI）初始吸水率達(dá)到5000 wt %（佳）。此外，循環(huán)壓縮性能測試表明sPI海綿材料體系展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能和多孔尺寸穩(wěn)定性。 聚丙烯腈多孔海綿的制備應(yīng)用拓展。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

為展示該靜電紡絲技術(shù)的普適性，研究人員進(jìn)一步采用SDBS輔助制備了聚丙烯腈（PAN）海綿材料。添加10 wt % SDBS，所制備PAN多孔材料密度為5.7 mg cm-3、材料表面呈強(qiáng)親水性且具有卓越的壓縮循環(huán)測試（100余次）性能穩(wěn)定性。此外，基于sPI海綿材料表面的親水特性，多孔材料可作為菌膜基底用于不同功能生物膜的培育，在生物燃料電池等領(lǐng)域的具有重要的潛在應(yīng)用。

sPI海綿材料細(xì)菌培養(yǎng)應(yīng)用。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces

總結(jié)

表面活性劑作為一種典型的兩親性大分子化合物，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。該研究創(chuàng)造性的以微量傳統(tǒng)SDBS為溶液助劑，實(shí)現(xiàn)了聚酰亞胺等聚合物材料體系靜電紡絲技“水性化”簡便制備。該研究成果中多孔材料表面親水改性技術(shù)及其策略的普適性，將極大地突破傳統(tǒng)聚合物材料固有疏水特性帶來的應(yīng)用局限性。