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南工陳蘇團隊 CEJ：微流控連續制備碳量子點及其微流控紡絲高強度納米纖維

2023-06-30 來源：高分子科技

聚合物納米纖維在柔性穿戴、電子器件、生物醫療等領域具有廣泛的應用前景。由于其納米尺寸下，納米纖維的強度相對較低，極大地限制了它的制備與應用。碳量子點（2-5 nm）由于其獨特的物理化學性質，除具有量子效應的熒光性質外，還在增強聚合物纖維上展現出獨特的優越性。但目前宏量制備碳量子點的方法通常采用間歇式操作，如何通過連續批量生產得到大量的高量子產率碳量子點仍是一個挑戰。尤其是探索低成本、高效便捷的方法來實現碳量子點的連續制備以及高強度納米纖維的制備是目前極具挑戰的課題。

針對上述問題，南京工業大學化工學院、材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授團隊，創新性地探索出一種利用微流控芯片反應平臺實現高量子產率宏量碳量子點連續化制備的方法，并利用微流體靜電紡絲技術將制備得到的碳量子點負載在納米纖維上，實現了高機械強度的富集熒光碳量子點聚合物納米纖維的宏量制備。首先，針對已有報道中的微流控芯片反應平臺存在的導熱性差、不耐熱、不耐溶劑、加工過程復雜等問題，首次提出了使用鋁基微流控芯片反應平臺（鋁基微流控芯片由南京貝耳時代科技有限公司研制并提供）實現碳量子點的連續制備。通過在鋁基微流控芯片中的過程強化，同時調控各種參數，最終得到量子產率高達70.98%，半峰寬為65 nm的碳量子點，將多個芯片并聯后有望實現碳量子點的宏量制備。該碳量子點具有優異的光學性能與穩定性，并且利用微流控紡絲技術可以實現富集熒光碳量子點聚合物納米纖維的連續生產。值得注意的是，將碳量子點負載到熱塑性聚氨酯（TPU）和尼龍66（PA66）的納米纖維膜上后，其拉伸強度分別達到了原先的2.9倍和4.1倍。其中，PA66納米纖維膜的拉伸強度由原來的的3.9MPa提高到了16.1MPa。

圖1.微流控合成碳量子點/聚合物纖維膜示意圖。(a) 微流控連續制備碳量子點示意圖。(b) 靜電微流控連續制備熒光碳量子點/聚合物纖維膜示意圖。

圖2. 鋁基微流控芯片生產設備及產物實物圖。(a) 用于鋁基微流控芯片合成CDs的裝置。(b) 鋁基微流控芯片的照片。(c) 芯片出口處CDs在365nm紫外光照射下的照片。(d) 不同停留時間下制備的CDs在日光和365nm紫外光照射下的照片。(e，f) 一批次得到的CDs溶液在日光和紫外光照射下的照片。

圖3. 不同反應條件下CDs的熒光特征。(a, d) 不同溫度下得到的CDs熒光光譜及其熒光特性。(b, e) 180℃下不同停留時間下得到的CDs熒光光譜及其熒光特性。(c, f) 180℃下不同前驅體比例下得到的CDs熒光光譜及其熒光特性。

圖4. CDs的光學性能。(a) CDs的紫外吸收圖。(b) CDs在不同波長激發光下的熒光光譜圖。(c) CDs的熒光壽命圖。(d) CDs的光穩定性圖。

圖5. CDs的微觀結構和化學成分表征。(a) CDs的TEM圖像。(b) CDs的尺寸分布圖。(c)CDs的XRD圖。(d) CDs的拉曼圖。(e) CDs的紅外光譜圖。(f) CDs的XPS圖。(g) CDs的C譜。(h) CDs的N譜。(i) CDs的H譜。

圖6. CDs/聚合物納米纖維膜的結構表征及光學表征。(a, b) CDs/TPU 納米纖維的SEM圖像。(c) CDs/TPU 納米纖維的熒光圖。(d, e) CDs/PA66 納米纖維的SEM圖像。(f) CDs/PA66 納米纖維的熒光圖。(g) CDs/TPU和CDs/PA66的熒光光譜圖。(h) CDs/TPU和CDs/PA66的熒光壽命圖。

圖7. CDs/聚合物纖維膜的拉伸強度及機理圖。(a) 不同CDs含量下CDs/TPU的應力-應變曲線。(b) 不同CDs含量下CDs/PA66的應力-應變曲線。(c) 碳點在聚合物中作用的機理圖。

圖8. 靜電微流體紡絲機（南京捷納思新材料有限公司與南京貝爾時代科技有限公司聯合研制）

該研究成果于近日發表在國際重要刊物《Chemical Engineering Journal》上。(Continuous productions of highly fluorescent carbon dots and enriched polymer nanofibers via microfluidic techniques, Chemical Engineering Journal. 2023)。南京工業大學碩士研究生陳益峰為第一作者。南京工業大學陳蘇教授與王彩鳳教授為共同通訊人。

該課題得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃、國家青年自然基金、江蘇省高校優勢學科建設工程、材料化學工程國家重點實驗室等基金的資助和支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144444

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（責任編輯：xu）

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