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背景介绍
水是人类生存不可或缺的资源。目前，水资源正在以惊人的速度消失，缺水成为现代社会面临的重大问题。从雾气中回收水分成为一些缺水地区重要的水分来源，尤其是除了雾之外，那些没有其它水资源的地区。
如何从雾中“抓到”水，许多研究采用仿生的方式，向大自然“学习”：将蚕丝做成蜘蛛网的形状，用一些纺锤型节点进行修饰，这种亲水型纤维可以从空气中吸收水分；仙人掌和纳米布沙漠的甲虫也利用它们的身体来从空气中获取水分。目前，大规模使用的从雾气中回收水分的收集器是由特殊设计的网状结构组成，这种网状结构多以聚丙烯（PP）为主，当周围环境有微风拂过时，这种收集器的收集效率会更高。
成果介绍
为了提高现有水分收集器的效率，波兰克拉科夫AGH科技大学的Stachewicz课题组利用双喷嘴的静电纺丝设备制备了一种由亲水和憎水纤维组成的具有微米和纳米复合结构的特殊织物，用于从雾气中回收水分，通过改变织物中亲水和憎水纤维的比例，可以调节织物的润湿性、表面粗糙度和强度，发现PS(1)-PA6(4)结构的织物具有最好的水分回收效率，在3h内水分回收效率高达127.55 mg·cm-2，拉伸强度为0.11±0.01 MPa。
图1. 制备具有亲水和憎水性能织物的双喷嘴静电纺丝设备。为了制备出具有亲水和憎水性能的织物，研究者采用双喷嘴的静电纺丝技术，从水平和垂直两个方向喷射亲水和憎水聚合物溶液。通过控制控制喷射时间调整织物厚度和比例。图2. 从空气中回收水分示意图。（a）与湿空气距离15 cm，气流角度30°；（b）与湿空气距离6 cm，气流角度90°。为了验证织物对雾气中水分的回收效率，研究者以加湿器模拟雾气进行试验，加湿器每小时可以喷出400 mL水，喷出水分的速度为19 cm·s-1，回收水分的织物面积为10 × 10 cm2，在3h内每隔30 min称量一下回收水分的质量。图3. 静电纺丝纤维顶部和横截面SEM图片。（a~c）PS-PA6纤维；（d~f）PS-PA6+15 纤维；(g~i) PS纤维；(1)PA6(1)纤维；(j~l) PS(1)-PA6(2)纤维；(m~o) PS(1)-PA6(4)纤维。研究者比较了五种不同组成和结构的纤维的微观形貌，认为那些具有亲水和憎水复合结构的纤维可以提高水分回收效率，其中纳米结构的PA6纤维可以改善织物的润湿性，并提高了织物机械强度。在复合纤维中，随着PA6比例的提高，织物对水的接触角逐渐下降：在PS纤维表面水的接触角为142.08±1.71°，在PS(1)- PA6(4)结构中下降到123.26±1.82°。图5. 随机取向的织物应力-应变曲线。(a) PS织物；(b) PA6织物；(c) PS-PA6织物；(d) PS-PA6+15织物；(e) PS(1)-PA6(1)织物；(f) PS(1)-PA6(2)织物；(g) PS(1)-PA6(4)织物。织物的力学性能对于实际应用至关重要，尤其是在风力比较大的地区应用时。通过拉伸测试，研究者发现PA6纳米纤维的拉伸强度要高于PS微米纤维的数据，当两种纤维都是无规取向时，分别为1.24和0.3 MPa，所以提高织物中PA6的比例时，如PS(1)-PA6(4)，织物具有最高的拉伸强度和韧性，分别达到了0.11±0.01 MPa和3.59±0.44 MJ·m-3，PA6的加入显著改善了PS纤维低的拉伸强度。在水分回收中常用的Raschel织物强度高，但是具有明显的各向异性特征，其机械强度根据拉伸方向的不同，在1000 to 3500 N·m-1之间变化，将本文设计的复合纤维引入到Raschel织物可以显著降低机械性能的各项异性，进一步提高其机械强度。图6. 在0, 30, 120, and 180 min时织物回收水分的正面和侧面图片。(a) PS织物；(b) PA6织物；(c) PS(1)-PA6(4)织物。研究者研究了不同织物水分回收性能，发现在不同润湿性能的织物表面水滴的直径明显不同。当织物表面水接触角高时，比如PS织物，说明接触角滞后低，水滴倾向于“待在”织物表面，而不是流到接收器中，这就降低了水分的回收效率。当提高织物中PA6的比例后，比如PS(1)-PA6(4)织物，水分回收效率提高。图7. 在不同结构织物表面水分形态示意图。（a）在憎水的PS织物表面水滴的增长；（b）在亲水的PA6纳米纤维表面水分子禁锢在纤维之间；（c）在亲水和憎水复合纤维表面水滴的增长和流动。图8. 在憎水PS纤维表面以及亲水和憎水复合纤维表面水分回收机理。水分在不同纤维表面的的回收过程不同：在憎水性PS表面水滴会逐渐长大，但是很难沿着纤维表面流淌；在亲水性PA6表面水分被限制在纤维之间，很难形成大的水滴；在亲水和憎水复合纤维表面，水滴逐渐长大，而且在重力作用下沿着亲水的PA6纤维流淌。因此，合理选择织物中亲水和憎水纤维比例对于提高织物水分收集效率至关重要。为了提高雾气回收水分的效率，波兰克拉科夫AGH科技大学的Stachewicz课题组设计了一种由亲水型纤维PA6和憎水型纤维PS组成特殊结构织物：PS纤维直径在微米尺度，PA6纤维在纳米尺度。在这种特殊结构的织物中，雾气中的水分子首先在憎水的PS纤维表面凝聚，随着水滴的逐渐长大，在重力作用下水滴沿着亲水的PA6纤维流到收集池中，实现从雾气中高效回收水分的目的。当织物由PS(1)-PA6(4)组成时，在3h内水分回收效率高达127.55 mg·cm-2。https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.9b19839来源：高分子科学前沿
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