背景介绍：在功能性服装与个人防护装备领域，开发高柔韧性、防水透气且兼具轻量化与智能化的膜材料一直是研究热点。传统防水透气面料如高密度、涂层、层压类织物，也有防水性差、透湿性不足或机械性能欠佳的局限。而聚偏二氟乙烯（PVDF）虽具备耐腐蚀性、超疏水性等优势，但其在可穿戴场景中存在强度不足、抗水压性与透气性矛盾的问题。
在过去的十年中，更多的研究人员关注静电纺丝PVDF，因其在柔韧、防水、透气、智能可穿戴膜中具有应用潜力。静电纺 PVDF 纳米纤维膜确实因为多孔结构可以具备良好的防水透气性能，但机械性能相对薄弱。因此，如何改善静电纺PVDF 膜的机械柔韧性，平衡防水性与透气性，为开发新型智能可穿戴防护材料提供解决方案，以满足极地、多雨等恶劣环境下对功能性服装的严苛需求，值得细细研究。

基于此，郑州先进纺织设备协同创新中心刘让同教授团队在《Textile Research Journal》发布最新研究成果。该团队借助静电纺丝技术，成功制备出石墨烯 / PVDF 复合纳米纤维膜，实现了防水性、透气性与柔韧性的平衡。该材料具体制备流程见图1。

研究对所得复合纳米纤维膜从微观结构、机械强度、防水性和透气性多个维度展开了详细探究。从微观结构角度来看，石墨烯在PVDF复合纳米纤维膜中的分散状态和存在形式对膜的性能有显著影响。研究发现，石墨烯在复合膜中主要以四种形式存在：包裹、重叠、粘附和延伸。见图2。

通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，纯 PVDF 纳米纤维膜平均纤维直径为 317nm，加入不同浓度石墨烯后，复合膜平均纤维直径发生变化，如当石墨烯浓度为0.05 wt%时，纤维直径增加到355 nm；而当石墨烯浓度达到0.15 wt%时，纤维直径显著增大至1268 nm。同时，纳米纤维膜的表面粗糙度随着石墨烯浓度的增加而逐渐提高。这些变化不仅影响了复合膜的孔隙率和孔径分布，还会对水蒸气的透过性产生影响。具体来看，未添加石墨烯的 PVDF 膜透湿性为 2915.92 g/(m²·24 h)，而当石墨烯添加量为 0.15 wt% 时，透湿性提高至 4415.37 g/(m²·24 h)。参见图3。

虽然添加石墨烯会提升透湿性，但也会对 PVDF 膜的防水性造成一定影响。从实验数据来看，PVDF 膜的接触角从 143.5° 降至含有 0.15 wt% 石墨烯的石墨烯 / PVDF 膜的 125°，水压阻力从 PVDF 膜的 23.4 kPa 降至含有 0.15 wt% 石墨烯的石墨烯 / PVDF 膜的 13.7 kPa。然而，经过优化分析发现，当石墨烯浓度控制在 0.1125 wt% 时，可在一定程度上平衡防水性与透湿性，此时优化后的石墨烯 / PVDF 膜的水压阻力为 19.35 kPa，透湿性为 4160.75 g/(m²·24 h)。这表明，通过精确控制石墨烯的浓度，可以对复合膜的防水性能进行有效调节。参见图4。

而在提升 PVDF 膜柔韧性方面，将石墨烯与 PVDF 混合起到了关键作用。实验结果显示，得益于石墨烯在石墨烯 / PVDF 复合纳米纤维膜中的四种存在形式（包裹、重叠、粘附和延伸），复合膜的断裂强度从 PVDF 膜的 6.7 MPa 提高到 13.2–19.8 MPa，断裂伸长率从 PVDF 膜的 8.3% 提高到 9.1%–17.9%，参见图5。这种显著的机械性能提升主要得益于石墨烯的高强度和优异的力学性能，其能有效增强纤维之间的相互作用，从而提高整个复合膜的强度和韧性 。同时，伸长率与石墨烯浓度的增加呈现出非线性关系，这为通过调整石墨烯浓度来进一步优化复合膜的柔韧性提供了可能性。

综上所述，这项研究为制备一种新颖、智能、柔韧、防水、透气、可穿戴的基于PVDF的纳米纤维膜提供了指导。团队开发的这种机械强度高且多功能的石墨烯 / PVDF 复合纳米纤维膜，可适用于恶劣环境，如寒冷极地地区、多雨山区和低温车间等场景下的功能性服装和个人防护装备。该复合膜不仅能提供良好的防护，还能确保穿着的舒适性，为在复杂环境下的工作和生活提供了有力支持。

近年来，静电纺丝技术在防水透气膜中的应用研究越来越受欢迎。众所周知，防水透气膜可以防止水滴的渗透并允许水蒸气的传输，其功能与人类皮肤大致相同，广泛应用于防风雨服、医疗器械、膜蒸馏和建筑材料中。防水透气膜分为亲水膜和微孔膜两类。非微孔亲水膜通常具有良好的防水性，但水蒸气透过性较低，而疏水微孔膜包含许多比最小雨滴小但比水蒸气分子大的微孔，表现出良好的防水性和透气性平衡。微孔膜展现出优越的蒸汽透过性，为穿着者提供更高的舒适度。制备防水透气膜的有效方法是使用静电纺丝技术。

电纺膜中的纳米纤维不规则重叠，结合力较小，形成相对松散的纤维结构；因此，生产的膜具有高孔隙率、小纤维直径、小孔径和相互连通的多孔结构。不过，电纺膜的机械性能还是研究者的改善重点，许多研究人员尝试使用各种方法来改善电纺纳米纤维膜的机械性能。例如，改进电纺装置以改善纤维的取向，后处理以改善大分子链的取向，以及多针混合以改善纤维之间的摩擦。混合技术是实现这一目的最合适的技之一，它涉及向纺丝液中添加一种或多种物质以制备多组分纳米复合材料。纳米复合纤维材料可以补偿单一聚合物与天然组织在化学或结构上的不相容性，通过调整组分的比例还可以调节纳米纤维的机械性能、生物相容性和可降解性。

微迈自主研发的实验级多针静电纺丝设备MN60，可模拟工业级量产环境，采用多针智能下纺结构，不仅可以精准调控纺丝距离、直径、尺寸，还能精准调控实验制备环境，适合多样聚合物材料的复合制备，并高效优化工艺配方，支持实验室数据一键放大，让科研成果是否具备市场化得到快速检验。对于防水透气膜的制备更是不在话下。

文献来源：DOI: 10.1177/00405175241289888