中原工学院：SiPU/石墨烯量子点/SA纳米纤维膜，用于户外纺织品

成果简介

防水透气膜（WBMs）作为一种多功能功能材料已受到广泛关注。然而，采用直接的策略开发具有防水性、透气性和热调节性能的无氟防水透气膜仍是一项重大挑战。本文，中原工学院Gaihuan Ren、Weitao Li等研究人员在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Electrospinning of Fluorine-Free Waterproof–Breathable Nanofiber Membranes with Thermal Regulation for Anticounterfeiting”的论文，研究采用直接电纺丝技术制造了无氟硅基聚氨酯/石墨烯量子点/硬脂酸（SiPU/GQDs/SA）纳米纤维膜。硬脂酸是一种表面能较低的相变材料，可增强纳米纤维膜的疏水性和热调节性能。

石墨烯量子点（GQDs）进一步提高了 SiPU/GQDs/SA 纳米纤维膜的相变焓。最终制成的 SiPU/GQDs/SA-20 WBM 具有优异的耐水性（静水压力为 67.8 kPa）、良好的透气性（水蒸气透过率为 5166 g m-2 d-1）、出色的拉伸强度（拉伸应力为 5.95 MPa）、稳定的热调节性能（相变潜热为 29.57 J/g）以及出色的防伪性能。这种无氟、高保护性和舒适性的 WBM 在户外纺织品和电子设备等领域具有广泛的应用前景。

图文导读

图1.用于防伪的无氟防水透气纳米纤维膜的制造过程示意图。

图2.（a） SiPU/GQDs/SA-20纳米纤维膜的TEM照片。（b-e）SiPU/GQDs/SA-20纳米纤维膜的C、N、Si和O元素映射图像。不同SA浓度下SiPU/GQDs/SA纳米纤维膜的SEM照片：（f）0、（g）10、（h）20和（i）30 wt %。（j） 不同SA浓度下SiPU/GQDs/SA纳米纤维膜的平均纤维直径。

图3.（a） 孔径分布，（b） D麦克斯不同SA浓度下SiPU/GQDs/SA纳米纤维膜的孔隙率、（c）水接触角、（d）静水压力、（e）WVT速率和（f）应力-应变曲线。（g） SiPU/GQDs/SA纳米纤维膜的防水透气机理。

图4.（a） SiPU、SiPU/SA-20和SiPU/GQDs/SA-20纤维膜表面温度与加热时间的关系。（b） SiPU/SA-20和SiPU/GQDs/SA-20纤维膜样品熔融和冷却过程的DSC曲线。（c） SiPU/SA-20和SiPU/SA-20纳米纤维膜的相变焓。（d） SiPU/GQDs/SA-20纤维膜不同热循环后的DSC曲线。

图5.SiPU/GQDs/SA-20纳米纤维膜在（a）和（b）10次加热/冷却循环后的SEM扫描电镜。

图6.（a） SiPU/GQDs/SA-20纳米纤维膜的防水性（I）和透湿性（II）示意图。（b） SiPU/GQDs/SA-20纳米纤维膜对水（I）、牛奶（II）、咖啡（III）和亚甲蓝水溶液（IV）液滴的抗污能力示意图。（c） SIPU （II）、SIPU/SA-20 （III） 和 SIPU/GQDs/SA-20 （IV） 样品的 SIPU/GQDs/SA-20 （I） 的光学图像以及相应的纳米纤维膜红外图像。（d） SiPU/GQDs/SA-20纳米纤维膜的荧光效应（（I）：紫外光关闭，（II）：紫外光开启）。

小结

综上所述，采用直接静电纺丝技术制备了一种具有调温性能和防伪性能的环保型防水透气纳米纤维膜。SA作为一种非氟化的长链烷基分子，赋予了纳米纤维膜高疏水性和优异的温度调节性能。GQDs的引入不仅增强了纳米纤维膜的防水性和调温性能，还赋予了防伪性能。因此，所制备的SiPU/GQDs/SA-20纳米纤维膜具有较高的抗静水压力（67.8 kPa）和良好的透湿性（5166 g m–2d–1）、优异的拉伸强度（5.95 MPa）、稳定的热性能和相变潜热（29.57 J g–1），以及出色的防伪性能。防水透气的SiPU/GQDs/SA-20纳米纤维膜具有调温性能和防伪性能，作为防护服、伤口敷料和电子设备的保护层具有巨大的潜力。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c04948