学术研究报告：电纺与等离子体处理制备超疏水性三醋酸纤维素纤维膜

一、研究团队与发表信息
本研究由韩国Chungnam National University的Young Il Yoon、Hyun Sik Moon、Won Seok Lyoo、Taek Seung Lee及通讯作者Won Ho Park团队完成，发表于2009年的期刊*Carbohydrate Polymers*（卷75，页246-250）。研究聚焦于通过电纺（electrospinning）和等离子体（plasma）处理技术，制备具有类似荷叶超疏水特性的三醋酸纤维素（cellulose triacetate, CTA）纤维膜。

二、学术背景与研究目标
超疏水表面（superhydrophobic surface，水接触角>150°）在自清洁材料、防污涂层等领域具有重要应用。自然界中，荷叶表面的微纳结构与低表面能蜡质层共同赋予其超疏水性。受此启发，研究者试图通过仿生手段构建人工超疏水表面。CTA因其优异的化学稳定性和生物相容性，被选为基底材料。本研究的目标是：
1. 通过调控电纺工艺参数（溶剂比例、CTA浓度）优化纤维膜的微观形貌与疏水性；
2. 结合CF₄等离子体处理降低表面能，实现超疏水性；
3. 揭示表面粗糙度与化学组成对疏水性的协同机制。

三、实验流程与方法
1. 电纺纤维制备
- 材料与溶剂体系：使用乙酰基含量50%的CTA，溶解于二氯甲烷（methylene chloride, MC）/乙醇（ethanol, EtOH）混合溶剂（体积比80/20至100/0）。
- 参数优化：
- 固定CTA浓度（5 wt.%），研究溶剂比例（80/20、90/10、100/0）对纤维形貌的影响；
- 固定溶剂比例（MC/EtOH=80/20），研究CTA浓度（3–9 wt.%）的影响。
- 电纺条件：电压10 kV，针头-接收距离10 cm，流速5 mL/h，室温环境。

1. 等离子体处理

   • 选择电纺最优条件（5 wt.% CTA，MC/EtOH=80/20）的纤维膜，进行CF₄等离子体处理（0–300秒）。
     
   • 处理参数：压力0.2 mbar，射频功率13.56 MHz，预处理空气等离子体清洗（50 W，30分钟）。
     

2. 表征技术

   • 形貌分析：扫描电镜（SEM）观察纤维直径与表面结构；原子力显微镜（AFM）量化粗糙度。
     
   • 化学分析：X射线光电子能谱（XPS）检测表面氟化程度。
     
   • 疏水性测试：水滴接触角（WCA）和滚动角（WTA）测量（水滴体积3 nL）。
     

四、主要研究结果
1. 溶剂比例的影响
- MC/EtOH=80/20时，纤维表面无孔且直径分布窄（1.7±0.3 μm），WCA达141.6°；MC比例升高（100/0）导致多孔结构，WCA降至121.5°（表1）。
- 高MC比例因快速挥发引发相分离，形成孔隙，但纤维直径增大（4.1 μm）降低疏水性。

1. CTA浓度的影响

   • 5 wt.% CTA时，纤维呈褶皱结构（图3b），WCA最高（142°）；浓度增至9 wt.%时，纤维直径增大至3.4 μm，WCA降至132°（表2）。
     

2. 等离子体处理的增效作用

   • 处理60秒后，XPS显示氟含量达45%（图5b），表面能显著降低；AFM证实粗糙度保留（图4b），WCA提升至153°，WTA低至4°，实现超疏水（图6）。
     
   • 超时处理（>60秒）导致表面蚀刻，粗糙度下降，WCA回落。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了电纺纤维直径（宏观粗糙度）与表面微结构（褶皱/孔隙）对疏水性的协同影响；
- 证实短时CF₄等离子体处理可高效氟化表面，而不破坏形貌。

1. 应用价值：
   
   • 为自清洁膜材料开发提供了可规模化生产的工艺路线（电纺+等离子体）；
     
   • CTA纤维膜在医用防水敷料、油水分离等领域具潜在应用。
     

六、研究亮点
1. 创新方法：首次结合电纺与CF₄等离子体处理制备超疏水CTA纤维膜，WCA达153°。
2. 工艺优化：通过溶剂比例与浓度调控，平衡纤维形貌与疏水性，避免使用昂贵添加剂。
3. 机制阐释：通过XPS与AFM关联表面化学组成与形貌变化，明确超疏水性的双重贡献因素。

七、其他发现
- 电纺纤维的褶皱结构（图3b）类似荷叶的微米级乳突，为仿生设计提供了新思路。
- 研究得到韩国产业资源部区域技术创新计划（RTI04-01-04）资助，体现其工业转化潜力。