盘点！朱美芳院士团队近期科研成果汇总

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朱美芳院士团队：缚结分子诱导制备高强度聚酰胺纤维

英文原题：Molecular Weight Discrete Distribution-Induced Orientation of High-Strength Copolyamide Fibers: Effects of Component Proportion and Molecular Weight

通讯作者：相恒学 副研究员，东华大学

作者：Jialiang Zhou (周家良), Qianqian Wang (王倩倩), Chao Jia (贾超), Mugaanire Tendo Innocent, Weinan Pan (潘伟楠), Hengxue Xiang (相恒学), Meifang Zhu (朱美芳)

聚合物纤维的力学性能既取决于分子链化学结构，又决定于凝聚态结构。对化学结构和凝聚态结构的有效调控，有助于帮助我们揭示聚合物纤维结构与性能的内在关系，制备性能优化的纤维材料。

近日，东华大学朱美芳教授团队以通用聚酰胺6为研究对象，对比研究了分子链组分共聚和高分子量组分物理掺杂对共聚酰胺纤维的结晶结构和力学性能的影响关系。研究发现，改变共聚酰胺的组分配比或者提高分子量对提高共聚酰胺纤维力学性能的贡献是有限的。一方面，随着聚酰胺66组分含量增加，共聚酰胺分子链间氢键作用的减弱导致熔点下降、流体流动性能提高；另一方面，提高共聚酰胺的分子量会增加分子链的缠结程度，限制纤维拉伸诱导分子链取向度，导致力学性能下降。

共聚酰胺是一种半结晶的高聚物，在纤维成形过程中经过牵伸和热定型处理，纤维的晶体结构、结晶度和取向度会发生极大的改变。首先拉伸作用会诱导分子链和晶体结构的择优取向，其次热定型过程会使晶体结构趋于稳定。添加少量的高分子组分可以有效的诱导纤维的取向和结晶，清晰的表征该结构演变过程有助于我们掌握其作用机理。可以发现具有离散分布特征分子链可有效防止应力下分子链滑移并消耗结晶结构产生的应力集中，而且形成的缚结分子结构可以抑制高牵伸应力作用，诱导并保持非晶区的分子链取向，从而使纤维具有较高的取向度和力学性能。

图1. 不同热拉伸倍数下共聚酰胺及其复合纤维的微观结晶结构和分子链取向

聚合物纤维在成型过程中，为了保持结构和性能的稳定性，通常需经过一个热定型（退火）过程。从热力学角度，机械牵伸后纤维的微结构是不稳定的，会趋于熵增的解取向过程变化。因此，通过热定型消除纤维的内应力，使其趋于热力学平衡状态具有重要意义。通过分析非晶区分子链取向看出，缚结分子不仅能够诱导非晶区的分子链取向，又能够抵抗高温热定型分子链运动使其保持高度取向结构。

图2. 不同热定型温度下共聚酰胺及复合纤维的微观结晶结构和分子链取

总的来说，聚酰胺或共聚酰胺熔融纺丝初生纤维具有低度取向γ-form晶结构，在应力作用下，这种γ-form晶可以迅速转变为α-form，热定型处理过程虽然不能破坏α-form晶结构，但是过高的热定型温度会导致无定型区分子链取向的剧烈下降。此时，即使是提高共聚酰胺的分子量也不能避免这种破坏作用。当添加少量高分子组分聚酰胺后，它能显著提高聚酰胺熔体的黏度，诱导共聚酰胺在牵伸过程中发生γ晶-α晶转变，抑制高倍牵伸下分子链间的滑移现象和高温热定型过程的分子链解取向，从而使聚酰胺保持一个高度分子链取向的结构，赋予其较高的机械力学性能。

图3. 缚结分子诱导共聚酰胺纤维分子链取向结构演变示意图

相关研究结果发表在Macromolecules上，东华大学博士后周家良博士为文章第一作者，相恒学副研究员为通讯作者。

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东华大学陈志钢教授/朱美芳院士团队：用低蒸发焓的多层光热织物构建向日性蒸发器以完成高效、连续、无盐析出的淡化过程

太阳能驱动的海水蒸发通常采用浮式蒸发器，但其性能一直受限于高蒸发焓、盐结晶、及阳光倾斜导致的蒸发减少等问题。为了解决这些问题，东华大学陈志钢教授/朱美芳团队制备了表面带有硫化铜的聚丙烯腈(PAN@CuS)多层织物，并开发了向日性蒸发器模型。由于在CuS界面上水分子间的氢键作用被破坏，在PAN@CuS多层织物中水的蒸发焓由2406.17 kJ kg−1降至1956.32 kJ kg−1。基于该织物开发出的向日性蒸发器模型，海水在织物中从高到低缓慢流动。在太阳照射下(1.0 kW m−2)，该模型表现出很高的蒸发速率(约2.27 kg m−2 h−1)和无盐结晶的饱和盐水产量。特别是，在倾斜阳光下(角度范围:−90°到+90°)，向日型模型的蒸发速率几乎保持不变，而浮动模型的蒸发速率骤降(83.9%)。该研究提供了一个降低蒸发焓的新方法，能最大限度地利用太阳能来进行连续、无结晶盐的脱盐过程。

模型图

图1. 制备和界面蒸发过程示意图.（a）分层PAN@CuS织物的原位硫化（b）界面处蒸发焓降低

原文链接

Zixiao Liu, Zhan Zhou, Naiyan Wu, Ruiqi Zhang, Bo Zhu, Hong Jin, Yumei Zhang, Meifang Zhu, and Zhigang Chen，Hierarchical Photothermal Fabrics with Low Evaporation Enthalpy as Heliotropic Evaporators for Efficient, Continuous, Salt-Free Desalination，ACS Nano 2021 15 (8), 13007-13018

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东华大学朱美芳院士、麻省理工李巨教授等:聚多巴胺涂层PET过滤器中进行超低阻力两级静电辅助的空气过滤

空气中悬浮的颗粒物(PM)对人们的健康构成严重威胁，无论是室内还是车内都需要进行高效的过滤。然而，过滤效率、空气阻力和使用寿命三者间在本质上是冲突的。东华大学朱美芳团队、麻省理工李巨团队等多个团队合作，设计开发了两级静电辅助空气(EAA)过滤装置，通过原位多巴胺聚合在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)粗滤器上产生聚多巴胺(PDA)薄层，可同时提高效率、空气阻力和过滤寿命。8毫米厚的EAA PDA-140@PET过滤器对0.3μm的颗粒过滤效率高达99.48%，在过滤速度0.4 ms−1时空气阻力仅为9.5 Pa，性能稳定可达30天。与裸PET过滤器相比，0.3μm颗粒的透过率降低了20倍。PDA涂层的厚度在亚微米级，是过滤纤维间距的千分之一，因而可以保持低空气阻力。在长达30天的测试周期内，该过滤器显示了稳定的高过滤效率、轻微的空气阻力增加，并能捕获多达与自重相当的颗粒物。

图1. 过滤测试装置及性能比较. (a) 两级EAA过滤器进行颗粒过滤实验的实验装置示意图.（b）EAA PET过滤器、PVDF-120@PET过滤器, PDA-140@PET过滤器, 和非-EAA商用HVAC过滤器的性能比较

图2. 裸PET过滤器和PDA@PET过滤器的制备方法和形貌.（a）通过原位聚合涂层法制备PDA@PET过滤器的示意图.（b）（c）PET过滤器和不同前驱体添加量的PDA@PET过滤器的光学图片和SEM图片.

原文链接

Tian, E., Yu, Q., Gao, Y., Wang, H., Wang, C., Zhang, Y., Li, B., Zhu, M., Mo, J., Xu, G., Li 2102051, J., Ultralow Resistance Two-Stage Electrostatically Assisted Air Filtration by Polydopamine Coated PET Coarse Filter. Small 2021, 17, 2102051.

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东华大学叶长怀教授/朱美芳院士团队：兼具超高电导率和高机械强度多功能复合水凝胶

兼具高机械强度和超高稳定电导率的可伸缩导电水凝胶是软体机器人、人造皮肤和生物电子的理想材料，但目前为止，制备这类水凝胶仍存在不小的挑战。东华大学叶长怀教授/朱美芳院士团队开发了一种制备三明治结构芳纶纳米纤维(ANFs)增强聚乙烯醇(PVA)杂化水凝胶的新方法，即静电纺丝结合AgNWs/PVA在ANF-PVA纤维上的真空辅助过滤。静电纺丝所得的ANF-PVA杂化水凝胶具有极高的抗拉强度（拉伸模量为10.7 ~ 15.4 MPa）、模量（抗拉强度为3.3 ~ 5.5 MPa）和韧性（断裂能可达5.7 kJ m−2），这可归因于PVA与ANFs分子链间的强氢键作用以及纳米纤维结构在面内的有序排列。通过调节银纳米线(AgNWs)的含量，杂化水凝胶的电导率可高达1.66 × 104 S m−1，这几乎是目前电导率最高的水凝胶，并且在500次拉伸循环后仍能保持。此外由于具有超高电导率，该杂化水凝胶展现出优越的焦耳热性能和电磁屏蔽作用。朱院士团队通过新方法制备的可伸缩水凝胶，兼具高机械性能和超高电导率，在柔性生物电子和软体机器人等重要应用方面具有巨大潜力。

图1. a) 芳纶纳米纤维(ANFs)增强聚乙烯醇(PVA)水凝胶和三明治结构杂化导电水凝胶的制备示意图. b) ANF-PVA水凝胶的分子间相互作用示意图. c,d )静电纺丝制备ANF-PVA纤维的光学图片和SEM图. e,f)在ANF-PVA纤维上进行的AgNWs/PVA真空辅助过滤来制备导电杂化水凝胶. g,h)三明治结构导电水凝胶

原文链接

Zhou, Q., Lyu, J., Wang, G., Robertson, M., Qiang, Z., Sun, B., Ye, C., Zhu, M., Mechanically Strong and Multifunctional Hybrid Hydrogels with Ultrahigh Electrical Conductivity. Adv. Funct. Mater. 2021, 2104536.

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