微流控纤维纺丝化学研究进展

风云

纤维纺丝化学（FSC）因其高比表面积、高效的传热传质和更高的反应速率而成为一种很有前途的微反应平台。FSC策略采用纺丝纤维作为微反应器，减少挥发性有机化合物（VOCs）的排放，实现微/纳米级纤维的设计和纳米材料的合成。在这篇综述中，我们重点介绍了FSC在制备机制和技术优势方面的最新进展。强调了各种FSC策略，包括微流控纺丝、电微流控纺丝（EMS）和微流控吹纺丝（MBS）。特别介绍了FSC工艺中微流控芯片的调控。此外，还总结了FSC策略在荧光纳米材料合成、多维纤维非织造和全天候智能纺织品中的应用。最后，对进展和未来展望进行了探讨。综上所述，本文将为基于FSC平台的微纳尺度纤维设计提供理论指导。
微/纳米级纤维因其高比表面积、多样化的构型和特性以及编织成多维材料的灵活性而引起了极大的关注.1， 2 这些独特的特性使微/纳米级纤维在组织工程、可穿戴电子学和传感检测方面具有广阔的应用潜力.3-6 到目前为止，已经设计了许多策略来制造微/纳米级纤维， 如静电纺丝、拉伸纺丝和直写纺纱。然而，这些纺丝策略主要集中在纤维类型和结构调控中的物理凝固过程。此外，为微纳尺度纤维生产有序的多样化结构和鲁棒的多种功能仍然是一个重大挑战。近年来，微流控纤维纺丝化学（FSC）策略被认为是一种高效可行的平台，用于设计微纳尺度纤维的明确结构、可控成分和有组织功能。
微流控FSC允许化学反应以可控的方式在纺丝纤维的超小尺度内进行，这对于微/纳米材料的合成和设计非常需要.13-16如图1所示，纺丝纤维被用作反应器进行微/纳米材料的合成和设计。纤维反应器的尺寸限制在微米级甚至纳米级，从而加强了反应的传质和传热过程，保证了微纳米材料的高效合成。此外，微流控FSC策略可以有效地规避能源消耗、成分和产品毒性以及废物产生等问题。显然，与传统的间歇式反应器相比，纤维微反应器具有高度可控的过程、高效和绿色合成以及连续生产等先验优势.17 图 2 显示了三种不同的 FSC 微反应器，即 1D-0D 液滴、1D-1D 结和 1D-2D 平行纤维微反应器，布置在纤维/液滴、垂直/平行纤维和纤维/聚合物薄膜的交界处， 1， 18-20 对于简单的化学反应 （A + B → C），1D–0D 微反应器是通过将含有一种前体 （A） 的液滴滴滴在装载有另一种前体 （B） 的纤维上而产生的。产物（C）的形成基于固液界面的扩散反应，在纤维和液滴的连接处产生。同样，1D-1D和1D-2D微反应器分别在纤维的间站以及纤维与聚合物薄膜之间的反应位点产生。同时，FSC反应可以在单个光纤内进行（图2D）。在纺丝过程中，反应性单体在聚合物基体内扩散和反应，确保在反应完成时形成纤维。有希望的是，可以使用这些微反应器原位合成各种荧光纳米材料，例如钙钛矿纳米晶体（PNCs）和量子点（QD）.13,21,22然而，这些纤维微反应器也有明显的缺点：（1）纤维微反应器的超小尺度反应区限制了纳米材料的产量，纤维微反应器中微/纳米材料的大规模制备仍然是一个挑战.23 （2）纤维微反应器中的反应是受成分和产物扩散速率的支配，反应条件的控制和优化可能比传统的间歇反应更加困难。（3）在大多数情况下，超细纤维反应器中的最终产物是聚合物包覆的纳米材料，微/纳米材料的后处理和纯化也是一个需要解决的挑战.17通常，基于微流控FSC策略设计的纤维微反应器为微/纳米材料的合成提供了操作简单，反应条件温和，废物产生最少， 提供绿色、高效、可控的合成途径。此外，利用纤维微反应器的自修复反应也可以诱导多维织物的非织造25,26因此，FSC的研究为密闭微反应器提供了创新的见解，并为结构功能材料的简便可控制备提供了可靠的平台。



FSC策略机制示意图。突出突出了与传统方法相比的独特优势。



基于FSC策略的（A）1D-0D液滴，（B）1D-1D结，（C）1D-2D平行纤维微反应器的示意图和荧光显微镜照片。（D）纤维的概念和效用 作为微反应器，在纤维内部发生连续的化学反应

近年来，微纳纤维以其优异的纳米尺度效应、高比表面积及丰富多孔的结构在医学、航天环境保护等领域有着广阔的应用，成为当今先进材料极具挑战的前沿方向之一。其均匀的微纳尺寸被认为是一种成本低廉且易于操纵的微反应器。2019年，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、化工学院陈苏教授团队提出微流控（microfluidic）纺丝化学（Fiber Spinning Chemistry，FSC）的概念（Adv. Sci. 2019, 6(22), 1901694），即在微流控纺丝过程中，以微纳纤维为载体，借助微流控芯片，将反应物在纺丝过程中原位发生反应生成纳米纤维杂化材料，利用微纳纤维纳米反应器的限域效应，可以方便地制备出先进的纳米材料，此类纳米材料不易团聚，制备过程无废水产生，是一条方便绿色合成纳米材料的方法，受到广泛关注。
近期，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室、化工学院陈苏教授团队在以往长期研究的基础上，撰写了微流控纺丝化学及应用的综述，全面总结了先进FSC策略与应用。尤其重点讨论了微流控芯片在FSC过程中的调节作用。此外，还总结了FSC策略在荧光纳米材料合成、多维纤维非织造布和全天候智能纺织品方面的应用。



图1 纺丝化学的原理、策略和应用示意图

该文章以“Recent advances in microfluidic fiber-spinning chemistry”为题发表在Journal of Polymer Science期刊上。南京工业大学硕士研究生宋研为第一作者，南京工业大学陈苏教授、于晓晴博士后为通讯作者。
微流控纺丝化学的分类
微流控技术是一项能够对微通道中的流体进行精确和系统操纵的先进技术。该技术能够在微平台上灵活组合多功能组件，在微流控芯片内实现微流控纺丝化学反应，与传统纺丝方法相比，此纺丝过程不再是一种物理牵伸的过程，而是一个纺丝化学的过程，因此赋予了纤维多功能性与变化性，且具有反应过程连续且高度可控、安全可靠、绿色环保和易放大等优势。
FSC策略通过在纺丝过程中使用微/纳米纤维作为化学反应的反应器来实现纤维的形态、结构和功能多样性，极大地丰富了纳米纤维纺丝过程中组成、形态和结构调控的内涵。根据微流控纺丝工艺与FSC的结合，可分为微流控FSC、微流控静电FSC和微流控气喷FSC策略。



图2微流体纺丝FSC策略



图3微流控静电纺丝FSC



图4微流体气喷纺丝FSC策略

微流控纺丝化学芯片的设计
微流控芯片使化学反应在有限的空间和温和的条件下进行，不仅避免了大量有毒溶剂的使用，还减少了废产物的生成及能源消耗。同时，微流控芯片可用于精确控制超细纤维中各反应物组成及产物的微观结构与形态。优势在于可以灵活组合、可规模化集成，实现反应的微型化、连续化、自动化和并联规模化。微流控芯片已广泛应用于生物医学、环境监测、刑事科学、食品和商品检验、军事科学和航空航天科学等重要领域。该文重点介绍了微流控芯片在多通道交汇处的几何结构，并将微流控芯片分为T型微流控芯片、Y型微流控芯片和共流微流控芯片。



图5Y型微流控芯片



图6T型微流控芯片



图7共轴流微流控芯片

微流控纺丝化学的应用
微流控FSC策略为原位生产性能优异的功能化微米/纳米级纤维杂化材料提供了有效途径。



图8 微流控FSC策略制备钙钛矿纳米晶和高荧光CdSe量子点



图9FSC纺丝化学在全天候智能纺织品方面的应用

总而言之，该文从FSC制备机理和技术优势两方面对FSC的发展进行了综述与展望。其本质核心是如何实现纤维的工程化、高性能化和结构功能一体化，尤其是实现规模化连续可控制备性能优越的先进纳米材料，更是给纳米材料产业带来了全新视角，同时，提供了一条崭新的微流控纺丝技术可实用化的途径。可以预见FSC策略的广泛应用必将推动功能性纳米纤维的发展。
免责声明：文章来源汶颢 http://www.whchip.com  以传播知识、有益学习和研究为宗旨。 转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除。

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/672838692