高孔隙率聚丙烯腈/聚酰胺12复合纳米纤维膜的界面交联结构构建与力学性能强化

为解决电纺纳米纤维膜(ENMs)因纤维间结合力弱导致的机械性能差、传统增强策略导致孔隙率显著下降的问题，研究人员通过双针头静电纺丝结合170℃热处理技术，将聚酰胺12(PA12)引入聚丙烯腈(PAN)体系，构建了具有界面交联结构的PAN/PA123.5%复合膜。该材料在拉伸强度提升2.9倍(达5.40 MPa)的同时，孔隙率仅从91.13%降至79.57%，为高性能多孔材料开发提供了新思路。

　　

在空气过滤、组织工程等领域，电纺纳米纤维膜(ENMs)因其高孔隙率(可达90%)和独特的三维连通孔结构备受关注。然而这些由聚丙烯腈(PAN)等材料构成的"纳米蛛网"存在致命弱点——纤维间仅靠范德华力结合，轻轻一扯就可能分崩离析。传统解决方案如同"拆东墙补西墙"：用化学交联剂或热压法增强纤维结合时，往往会使孔隙率断崖式下跌至20%，让材料失去赖以立足的多孔特性。这种"强度-孔隙率"的跷跷板效应，成为制约ENMs实际应用的阿喀琉斯之踵。

中原工学院的研究团队独辟蹊径，选择与PAN熔点差异显著的聚酰胺12(PA12)作为"分子焊条"。通过双针头静电纺丝技术同步制备PAN/PA12混合纤维，随后在170℃(高于PA12熔点但低于PAN分解温度)进行玻璃板夹持热处理。这种"温和焊接"工艺使PA12熔体精准锚定在PAN纤维交叉点，形成类似建筑节点加固的界面交联结构。

研究采用双针头静电纺丝制备不同PA12含量的复合膜，通过场发射扫描电镜观察纤维形貌，万能材料试验机测试力学性能，孔隙率分析仪测定结构参数。

Results and discussion
电镜显示原始PAN纤维直径515 nm且笔直均匀，PA12纤维则呈现200-800 nm的异径弯曲形态。热处理后PA12熔体在PAN纤维节点形成"焊接点"，使复合膜拉伸强度从1.86 MPa(PAN)跃升至5.40 MPa(PAN/PA12_3.5%)，断裂伸长率同步提升3倍。孔隙率测试表明，最优组孔隙率仅下降11.56个百分点，远优于热压法60%的降幅。这种"点焊式"交联在维持79.57%高孔隙率同时，创造了2.9倍的强度增益。

Conclusion
该研究开创性地利用PA12的熔融特性构建选择性界面交联，破解了ENMs增强必降孔隙的行业难题。通过精确控制PA12添加量(3.5%)和低压热处理工艺，实现了力学性能与多孔结构的协同优化。这种"分子焊接"策略为过滤材料、电池隔膜等需要高强度-高孔隙协同的应用提供了普适性解决方案。

讨论
相比传统热压法20.9%的残余孔隙率，本研究79.57%的数值更接近生物组织(如骨小梁80-90%)的需求。作者特别指出玻璃板夹持产生的0.29 kPa低压环境是避免纤维层过度压缩的关键，这种"微压力控制"理念可延伸至其他热塑性复合体系。未来通过调控PA12分子量分布或引入梯度热处理，有望进一步逼近"强度-孔隙率"的理论极限。