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  近二十年來，靜電紡絲技術發(fā)展迅速，已應用于生物醫(yī)學、柔性電子、高效催化、集成制造等各個領域。靜電紡絲用于防護薄膜的研究也已有20多年；近年來，基于新材料、仿生結構和功能應用的靜電紡絲技術在智能防護方面取得了長足的進步。目前，除了滿足市場需求外，具有防護等基本功能的保護膜也被賦予抗紫外線、抗菌、可穿戴能量等特性。并且，功能性防護產(chǎn)品的需求呈顯著增長趨勢。因此，對靜電紡絲防護薄膜在最近幾十年的回顧十分必要。

  靜電紡絲是一種重要的微/納米纖維加工技術，基于新型材料選擇和改性，仿生結構設計和多場合下的應用回顧了多功能保護薄膜在近年來的發(fā)展。綜合來說，防護薄膜的重要綜合性能包括高透濕性、高耐靜水壓、事宜的機械強度，透氣性等等，最近幾十年來研究者們基于新型材料的組合包含不可降解/可降解材料和受自然啟發(fā)的功能結構一直在平衡這些重要的綜合性能。目前，先進防護薄膜的研究主要集中在基于基礎的高性能防護薄膜，賦予其多功能特性，例如抗紫外線、抗菌和電磁屏蔽功能等等。（圖1）但是，一些重要的問題，例如靜電紡單絲性能，高固含量“綠色靜電紡絲溶液”的開發(fā)，以及親水層和疏水層之間附著力增強方法關注的還比較少。基于該綜述，他們討論了靜電紡絲技術的發(fā)展，提出了目前研究中存在的一些問題，最后草擬了一些解決這些潛在問題的方案和建議。這篇最新的關于靜電紡絲薄膜的報道將有助于促進保護膜的多元化發(fā)展，對制造具有智能防護的先進材料有指導意義。

圖1. 功能型性電紡防護纖維薄膜的構建及其廣泛應用

  目前，研究人員已經(jīng)對包括PVDF、PAN、PU、PLA等100多種天然/合成的材料進行了靜電紡絲研究（圖 2, 3, 4）；基于結構設計，通過靜電紡絲技術構建了核殼、并列、分層和有趣的仿生結構；基于各種應用，如透氣性、防水性、速干功能，防護薄膜已經(jīng)再多個場景被制造和應用。除了靜電紡絲技術的發(fā)展，靜電紡絲所使用的相應材料優(yōu)化和選擇正在逐漸從傳統(tǒng)的不可降解、含氟材料轉變?yōu)榭杀画h(huán)境代謝的可降解材料；基于仿生結構設計，研究人員對荷葉、北極熊毛發(fā)、植物結構等進行了研究和模擬，加深了對超疏水、高效保溫、反重力輸水等原理認識（圖5）；基于保護膜的功能性設計，結合先進的納米技術，采用超疏水二氧化硅、二氧化鈦、碳納米管等材料，研究人員實現(xiàn)了防護薄膜的熱管理、抗菌、抗紫外線、抗紫外線、電磁屏蔽等系列化功能。因此，基于多種應用的新材料和功能結構的開發(fā)，保護膜越來越受到關注。

圖2. 基于PVDF的防護膜研究。A) PVDF單體，偏二氟乙烯；B) PVDF 聚合物分子鏈；C）超疏水PVDF防護膜的制備過程示；D) 和 E) 俯視圖和 F) PVDF 薄膜的橫截面；G) PVDF-TrFE過濾器用于增強顆粒物 (PM)1.0 的捕集；H）用于植物自供電可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的透氣膜示意圖。

圖3. 基于TPU的防護膜的研究。A) -OCO-NH-基團；B) 典型的PU聚合物分子蓮結構；C)乳液靜電紡絲制備防水透濕紡織品意圖；D) 防水透濕性能演示圖；E) 疏液性演示；F) PU/C6FPU-2/MgCl2-3纖維膜的大尺寸樣品圖片。

圖4. 基于PAN的防護薄膜的研究。A) PAN的單體丙烯腈；B) PAN 的聚合物分子鏈結構圖；C) 雙層 PU/水解多孔聚丙烯腈 (HPPAN) 膜的制造示意圖和薄膜快干特性光學圖像；D) 雙面 PU/HPPAN 納米纖維復合膜單向水傳輸演示。

圖5. 功能性防護薄膜的仿生設計。A）荷葉的宏觀和微觀圖像，以及通過靜電紡絲制備的具有超疏水結構的仿生荷葉薄膜；B) 空心結構的熊毛和通過同軸靜電紡絲技術制備具有保溫性能的空心結構納米纖維；C)鴨嘴結構和用于單向水傳輸?shù)腻F形結構的電紡薄膜；D) 基于植物蒸騰作用構建的超快水傳輸和蒸發(fā)的仿生薄膜。

  然而，關于靜電紡絲技術的一些限制仍然沒有得到足夠的重視。隨著先進材料和靜電紡絲技術的發(fā)展，靜電紡絲產(chǎn)業(yè)化過程中的綠色材料設計、環(huán)保加工管控、高效生產(chǎn)是未來的發(fā)展趨勢。目前的研究還缺乏對高濃度綠色溶劑靜電紡絲溶液的關注；基于電紡纖維層狀結構易剝離的問題，需要進一步研究通過物理、化學或相應的后處理技術提高親水層和疏水層之間的有效粘合；基于電紡納米纖維的特性，目前還缺乏對電紡纖維單絲性能的系統(tǒng)性研究。在未來，這些更多基于電紡溶液，結構粘結，和單絲性能的研究可以為防護薄膜靜電紡絲技術的發(fā)展提供堅實的基礎。

  綜上所述，近20年來，靜電紡絲技術在材料、結構和多功能方面得到了很好的發(fā)展。所制備的多功能防護膜已廣泛應用于個人防護、高端運動、特種作戰(zhàn)服等領域。然而，基于綠色加工、多層設計和單絲性能的系統(tǒng)性研究鮮有報道。他們詳細通過新材料的開發(fā)、仿生技術的發(fā)展、先進檢測技術的進步，靜電紡絲技術存在的這些問題將被一一克服。未來，高性能、多功能靜電紡絲保護膜的開發(fā)，可為電子皮膚、智能穿戴、高端生物醫(yī)藥、未來集成制造等領域做出重大貢獻。

  以上成果以“Recent Progress in Protective Membranes Fabricated Via Electrospinning: Advanced Materials, Biomimetic Structures, and Functional Applications”為題，發(fā)表在Advanced Materials上。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202107938