PS纤维膜的制作和应用

银泽菊叶表面具有超疏水特性，利用扫描电子显微镜（SEM）观察银泽菊叶表面微观结构可以发现其表面具有沟槽结构［图6-1（a）］。作者受其启发采用PS（Mw=208000）为纺丝原料，四氢呋喃（THF）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，控制聚合物浓度为30wt%，以静电纺丝技术制备了不同THF/DMF混合溶剂比（4/0，3/1，2/2，1/3，0/4）的PS纳米纤维膜。

图6-1（b）～（f）为不同THF/DMF比例下PS纳米纤维膜的SEM图。由于聚合物浓度较高（30wt%），不同的溶剂配比下纤维的直径都处于微米级，但随着DMF比例增加，纤维直径从14.8μm降低到2.8μm。如图6-1（b）所示，溶剂为单一THF时，PS纤维成扁平带状同时表面具有多孔结构。图6-2（a）的原子力显微镜AFM图也说明了THF溶剂制备的PS纤维表面相对光滑并带有一些纳米级的孔结构。当THF/DMF比例为3/1时［图6-1（c）］，纤维表面同时出现微米级与纳米级孔结构，图6-2（b）的AFM图片也说明了纤维表面具有微米级褶皱与纳米级小孔。THF/DMF比例为2/2时，PS纤维表面具有卵型的微孔［图6-1（d）］，高倍率下可以看到微米级卵型孔与纳米孔同时存在。

图6-1　（a）不同放大倍数的银泽菊叶SEM图；不同THF/DMF比例下PS纤维膜的SEM图：（b）4/0；（c）3/1；（d）2/2；（e）1/3；（f）0/4

上述多级结构的产生都可以用纺丝过程中的相分离现象解释［17］：射流从针头中喷射而出，溶剂迅速挥发使得射流表面温度降低。此时，射流处于热力学不稳定状态并产生聚合物富集相与溶剂富集相，发生了相分离，随后聚合物富集相快速固化成为基体，溶剂富集相产生孔。如图6-1（e）所示，THF/DMF为1/3时，纤维表面出现了大量细长岛屿状的沟槽（长度1.43μm，宽度158nm），同时也伴随着卵型微孔的消失。从溶剂比为2/2、1/3的PS纤维AFM图［6-2（c）～（d）］可以看出纤维表面存在多层的微纳复合结构。但使用DMF为单一溶剂时［图6-1（f）］，纤维表面的多孔结构消失，随之带来的是微球（24μm）与纤维的复合结构，同时AFM图［图6-2（e）］也证实了PS纤维具有较为光滑的表面。综上，通过调节溶剂THF/DMF的配比可以有效调控PS纤维的表面结构。

图6-3（a）展示了不同THF/DMF比例下PS纤维膜的水接触角（WCA）。以THF作为单一溶剂时，PS纤维膜的WCA为143.8°，无超疏水特性。当THF/DMF为3/1时，PS纤维膜的WCA达到了150°，高于银泽菊叶的WCA（147°）。这是由于纤维表面的微纳多级结构增加了粗糙度，使得纤维膜疏水性得以提升［18-20］。当THF/DMF比例分别达到2/2和1/3时，PS纤维膜的WCA达到了157.8°和159.5°，由此说明了在PS纤维表面构筑微纳粗糙结构可以使其获得稳定的超疏水性质。但以DMF为单一溶剂时，制备出的纤维膜表面粗糙度下降，WCA为150.8°，但仍高于以THF为溶剂时纤维膜的WCA（143.8°），这是因为纤维膜中微球的存在增加了粗糙度，使其疏水性能得到一定程度的提升。图6-3（b）展示了不同THF/DMF比例下12mg水滴在PS纤维膜上的水滚动角（WSA）。随着PS纤维膜疏水性的提升，WSA逐渐降低。当THF/DMF比例为1/3时，WSA达到最低（8°）。(www.xing528.com)

图6-2　不同THF/DMF比例下PS纤维的AFM表面形貌图片与纤维轴向横断面的形貌图：（a）4/0；（b）3/1；（c）2/2；（d）1/3；（e）0/4

图6-3　不同THF/DMF比例下PS纤维膜的（a）WCA；（b）WSA