東華大學紡織科技創新中心俞建勇院士及丁彬教授帶領的團隊，日前在 《Polymers 》期刊發布了《基于靜電紡絲的生物基聚氨酯彈性納米纖維膜優化及其在防水透氣領域的應用》一項研究。團隊通過靜電紡絲技術成功制備出具有防水透氣性能的生物基聚氨酯納米纖維膜。這一成果為生物基聚氨酯材料的發展及其在功能紡織品等領域的應用提供了新的思路與方法。
防水透氣膜（WBMs）因卓越的防水性能和高水蒸氣透過性廣受關注，逐漸成為戶外服裝、智能紡織品和醫用防護裝備等眾多領域的材料新寵。然而，傳統的防水透氣膜材料如聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚四氟乙烯等，普遍存在靈活性不足、生物相容性差、環境不友好以及不可再生等問題。隨著可持續發展理念的推廣，生物基材料以其環境友好性逐漸成為研究熱點。生物基聚氨酯（BPU ）不僅具備傳統石油基聚氨酯的優異機械性能、柔韌性和防水性，還在環境影響、健康與安全方面具有顯著優勢，在生物醫學和功能紡織品等領域都具有應用潛力。靜電紡絲是制備 WBMs 的先進技術，但如何保持PU溶液紡絲的穩定性是一大挑戰，本研究旨在通過優化BPU原料和紡絲條件，解決 BPU 納米纖維的快速穩定生產問題。
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）和二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）合成了紡絲性能優異的 PBSe/PO3G-BPU。通過不同濃度（12 wt%、16 wt%、20 wt%、24 wt%）的溶液制備了 BPU 納米纖維膜（見圖1）。該 BPU 防水透氣納米纖維膜以 PBSe 和 PO3G 為軟鏈段，兼具聚酯和聚醚聚氨酯的優點，具有出色的可紡性。與傳統膜相比，這種納米纖維膜不僅克服了傳統 WBM 柔韌性不足的問題，還簡化了靜電紡絲工藝。
研究還對膜的形態、機械性能、疏水性和透氣性進行了綜合分析。結果表明，靜電紡絲工藝顯著提高了 PBSe/PO3G-BPU 硬鏈段的結晶度，同時增加了軟鏈段的分子運動能力。這些特性使纖維具有卓越的柔韌性和改善的機械性能。此外，在 BPU 溶液濃度為 20% 時，制備的納米纖維膜展現出 15.6 MPa 的拉伸強度和 440.8% 的斷裂伸長率，表現出卓越的柔韌性，增強了其在穿戴過程中的耐久性。而較低濃度（12 wt% 和 16 wt%）導致纖維成型不足，性能較差；較高濃度（24 wt%）顯著降低纖維均勻性，影響整體性能。本研究提出的快速構建生物基防水透氣納米纖維膜的高效方法顯示出巨大的潛力，這種創新防水透氣膜材料也許可以擴展應用到其他領域，如如生物醫學設備和建筑膜材料等。本研究進一步推動了生物基聚氨酯材料的發展以及防水透氣膜技術的進步。在快速制備防水透氣納米纖維膜這塊，除了可以優化紡絲原料的配方，紡絲的條件也是很重要。微邁自主研發的實驗級小試靜電紡絲設備MN60，是專為實驗室產業化配方開發設計的靜電紡絲設備，搭載100多針模塊化陣列與智能下紡系統。該設備突破傳統單針實驗的局限性，可快速生成大尺寸樣品（幅寬600mm），精準模擬量產條件，助力科研團隊高效完成配方優化、工藝驗證及科研成果的轉化。
