《Results in Chemistry》：Surface-cracked electrospun PA6 nanofiber layers: Blending and selective removal of PVA
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本文报道了一种通过静电纺丝技术制备聚酰胺6（PA6）/聚乙烯醇（PVA）共混纳米纤维层，并选择性去除PVA以调控其孔隙结构的新方法。研究旨在解决纳米纤维层孔隙率和孔径调控的挑战，以满足特定过滤应用（如微滤、透析）对材料性能的需求。结果表明，去除PVA后，纤维层孔隙率降低、孔径增大，表面粗糙度减小，形成了适用于过滤大于7 μm颗粒（如红细胞）的理想材料。该工作为定制化过滤材料的设计提供了新思路，具有重要的应用价值。
在材料科学和生物医学工程领域，静电纺丝技术因其能够制备直径从纳米到微米级别的纤维而备受青睐。这些纳米纤维具有可调控的表面形态、组成和功能，在能源收集、油水分离、生物医学应用、食品包装和空气过滤等领域展现出广阔前景。特别是在过滤应用中，纳米纤维层的孔隙大小和孔隙率至关重要，它们决定了过滤的效率和选择性。例如，在血液过滤、伤口敷料和水净化等场景中，需要精确控制材料的孔隙结构以实现最佳性能。然而，如何有效且可重复地调整电纺纳米纤维层的孔隙率和孔径，以满足不同应用的特定需求，仍是当前研究面临的一个关键挑战。传统的孔隙调控方法包括孔洞形成、使用模板、控制电纺参数、表面改性以及后电纺处理等，但这些方法各有局限，亟需开发更高效、可控的新策略。
为了应对这一挑战，发表在《Results in Chemistry》上的这项研究提出了一种创新方法：通过静电纺丝技术制备聚酰胺6（PA6）和聚乙烯醇（PVA）的共混纳米纤维层，然后利用PVA的水溶性，选择性地将其蚀刻去除，从而精确调控最终纳米纤维层的结构特性。PVA因其成本低廉且易于去除而被选为牺牲材料。研究人员系统地表征了PVA去除前后纳米纤维层的形态、孔隙结构、表面粗糙度和取向等关键参数的变化，旨在阐明这种后处理工艺对材料性能的影响，并评估其在特定过滤应用中的潜力。
本研究主要运用了几项关键技术方法：首先，采用单喷嘴水平静电纺丝装置制备PA6/PVA共混纳米纤维层；其次，利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察纤维形貌并测量直径；第三，通过布鲁诺尔-埃米特-特勒（BET）比表面积分析法和图像处理技术（Image J软件）定量分析孔隙率和孔径分布；第四，借助原子力显微镜（AFM）评估表面粗糙度；最后，开发了特定的MATLAB代码，从FESEM图像中提取纳米纤维的取向和表面粗糙度数据，进行定量分析。
纳米纤维直径
研究表明，选择性去除PVA前后，纳米纤维的平均直径略有增加，从317 ± 103 nm增至346 ± 103 nm。这归因于PA6的亲水性导致水分子在蚀刻过程中渗透至聚合物链中，引起轻微溶胀。场发射扫描电子显微镜图像显示，在原始PA6/PVA共混纤维表面存在类似裂纹的结构，这些裂纹被认为是在电纺过程的高张力下形成的。然而，在去除PVA后，由于水的渗透作用，这些表面裂纹有所减少。
孔隙率
BET分析结果表明，去除PVA后，纳米纤维层的比表面积从2.358 m2/g显著降低至0.933 m2/g，表明孔隙率下降。BET吸附-脱附曲线显示纤维层的孔隙呈狭缝状，并且在相对压力较高时吸附与脱附曲线接近，表明孔隙是开放的。图像处理分析进一步证实了表面孔隙率的降低（从71%降至68%），但值得注意的是，平均孔径却显示出增大的趋势。
表面粗糙度与取向
通过MATLAB分析和原子力显微镜测量均表明，去除PVA后纳米纤维层的表面粗糙度显著降低。例如，AFM测得的表面粗糙度从438.12 ± 257.76 nm降至199.77 ± 320.22 nm。此外，基于MATLAB对FESEM图像的分析显示，纳米纤维网的取向角仅发生微小变化（从88度变为89度），表明选择性去除过程对纤维的整体排列方向影响不大。
本研究成功通过PA6与PVA共混电纺并结合选择性去除PVA的策略，制备出了具有新颖表面裂纹结构的纳米纤维层。该方法有效调控了纤维层的结构特性：在去除PVA后，孔隙率和表面粗糙度降低，而平均孔径有所增大。这些结构变化使得处理后的纳米纤维层特别适合于需要较低孔隙率和特定孔径的过滤应用，例如微滤（尤其是针对尺寸大于7微米的颗粒，如红细胞）以及潜在的人工血管构建等领域。该研究不仅提供了一种可调控电纺纳米纤维膜孔隙结构的有效后处理方法，也展示了其在生物医学和分离科学中的实际应用潜力。值得注意的是，研究中观察到的表面裂纹结构虽然有时被视为缺陷，但在某些应用（如提高传感器灵敏度）中可能具有积极意义。未来工作可进一步探索通过添加第三组分（如石墨烯）来调控组分间相互作用，从而优化最终材料的结构与性能。
