东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬教授带领的团队，日前在 《Polymers 》期刊发布了《基于静电纺丝的生物基聚氨酯弹性纳米纤维膜优化及其在防水透气领域的应用》一项研究。团队通过静电纺丝技术成功制备出具有防水透气性能的生物基聚氨酯纳米纤维膜。这一成果为生物基聚氨酯材料的发展及其在功能纺织品等领域的应用提供了新的思路与方法。

防水透气膜（WBMs）因卓越的防水性能和高水蒸气透过性广受关注，逐渐成为户外服装、智能纺织品和医用防护装备等众多领域的材料新宠。然而，传统的防水透气膜材料如聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯等，普遍存在灵活性不足、生物相容性差、环境不友好以及不可再生等问题。随着可持续发展理念的推广，生物基材料以其环境友好性逐渐成为研究热点。生物基聚氨酯（BPU）不仅具备传统石油基聚氨酯的优异机械性能、柔韧性和防水性，还在环境影响、健康与安全方面具有显著优势，在生物医学和功能纺织品等领域都具有应用潜力。静电纺丝是制备WBMs的先进技术，但如何保持PU溶液纺丝的稳定性是一大挑战，本研究旨在通过优化BPU原料和纺丝条件，解决BPU纳米纤维的快速稳定生产问题。

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）和二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）合成了纺丝性能优异的PBSe/PO3G-BPU。通过不同浓度（12wt%、16wt%、20wt%、24wt%）的溶液制备了BPU纳米纤维膜（见图1）。该BPU防水透气纳米纤维膜以PBSe和PO3G为软链段，兼具聚酯和聚醚聚氨酯的优点，具有出色的可纺性。与传统膜相比，这种纳米纤维膜不仅克服了传统WBM柔韧性不足的问题，还简化了静电纺丝工艺。

图1：PBSe/PO3G-BPU 的合成路线

a.PBSe、PO3G、MDI和EG的 PBSe/PO3G-BPU合成路线 

b.PBSe/PO3G-BPU纳米纤维膜的制备示意图

c.PBSe/PO3G-BPU纳米纤维膜的机制示意图

研究还对膜的形态、机械性能、疏水性和透气性进行了综合分析。结果表明，静电纺丝工艺显著提高了PBSe/PO3G-BPU硬链段的结晶度，同时增加了软链段的分子运动能力。这些特性使纤维具有卓越的柔韧性和改善的机械性能。此外，在BPU溶液浓度为20%时，制备的纳米纤维膜展现出15.6 MPa的拉伸强度和440.8%的断裂伸长率，表现出卓越的柔韧性，增强了其在穿戴过程中的耐久性。而较低浓度（12wt% 和16wt%）导致纤维成型不足，性能较差；较高浓度（24wt%）显著降低纤维均匀性，影响整体性能（见图2）。

图2：

（a-d）不同 PBSe/PO3G-BPU 浓度的纳米纤维膜的场发射扫描电子显微镜图像

e.20 wt% 和 24 wt% PBSe/PO3G-BPU溶液制备的纳米纤维膜的纤维直径分布

f.不同浓度PBSe/PO3G-BPU溶液制备的纳米纤维膜的平均纤维直径和体积密度统计图

此外，20wt%溶液制备的膜表现出显著的疏水性和透气性，水接触角为133.2°，静水压达到48.2kPa，透气性为12.6kg·m?2·d?1，表明其出色的防水透气性能，确保了穿戴的干爽和舒适（见图3、4）。

图3：PBSe/PO3G-BPU纳米纤维膜的性能

 a.PBSe/PO3G-BPU纳米纤维膜的拉伸性能

b.20 wt% PBSe/PO3G-BPU纳米纤维膜的500次循环拉伸疲劳测试曲线 

c.不同PBSe/PO3G-BPU纳米纤维膜的水接触角

d.PBSe/PO3G-BPU 纳米纤维膜的弹性和动态水滴渗透照片

图4：PBSe/PO3G-BPU纳米纤维膜的静水压与水蒸气透过率

a.PBSe/PO3G-BPU纳米纤维膜的静水压与水蒸气透过率

b.纳米纤维膜的透气性 c.纳米纤维膜的防水透气性能

本研究提出的快速构建生物基防水透气纳米纤维膜的高效方法显示出巨大的潜力，这种创新防水透气膜材料也许可以扩展应用到其他领域，如如生物医学设备和建筑膜材料等。本研究进一步推动了生物基聚氨酯材料的发展以及防水透气膜技术的进步。