Sci. Bull.：几秒钟内一步制备超薄多孔Janus膜，用于防水透气的电子皮肤

**作者：Yufeng Ni

通讯作者：Zhengwei You，Shuo Chen

通讯单位：东华大学

DOI: 10.1016/j.scib.2024.12.040

厚度为10 µm或以下的超薄弹性导体具有优异的机械柔顺性，并预见到其在不可察觉和可穿戴系统中的应用潜力，包括电子皮肤和人机交互。同时，人体皮肤的蒸发量在300-600 g m⁻² d⁻¹范围内，用于体温调节。佩戴不透气的电子皮肤会阻碍人体与环境之间的气体交换，导致皮肤炎症。此外，汗液的长时间积聚会导致界面之间的间隙，对信号采集产生负面影响。此外，潮湿的环境，如洗涤过程中的外来水滴，也是对设备长期附着的稳定性和舒适性的另一个挑战。因此，多孔Janus膜已被开发用于皮肤电子产品，同时提供有益的防水性和透气性。具体来说，Janus膜的小孔层可以有效地减轻污染物和外部液态水的渗透，而Janus膜上的大孔层则允许水分传播，确保身体获得干燥舒适的体验。

在开发包括顺序静电纺丝和相分离在内的多孔Janus膜制造策略方面取得了重大进展，但这些过程很复杂。例如，电纺Janus膜的制造过程耗时数小时，且孔径较大（通常>2 μm）。通过相分离制备的Janus膜包括两个步骤。**步是旋涂，这需要聚合物溶液润湿基材，导致膜与基材的强粘附，使其难以转移。**步涉及淬火过程，该过程面临着定制Janus膜不对称孔结构的棘手问题，包括大孔层与小孔层的厚度（T）比（T_large/T_small），以及孔隙率和孔径。简而言之，对于制造具有可控孔结构的多孔Janus膜的简单、快速和可扩展的生产技术仍然存在挑战。

1. 本工作提出了一种一步液滴扩散相分离策略，可以在几秒钟内制备超薄且易于收集的Janus热塑性聚氨酯（TPU）膜。

2. 金属离子溶剂化结构减缓了迁移动力学，延迟了TPU溶液的分层，促进了凝固溶剂的进一步渗透。

3. 开发的膜的平均制备速率为25.2 cm² s^-1，厚度为5 μm，水蒸气透过率为663 g m^-2 d^-1。平均孔径为1.7 μm的小孔层有效地阻挡了外部液态水。

图1. 多孔Janus TPU膜的设计和性能。（a） 显示不同VDMF/VTHF比率的TPU溶液铺展结果的示意图。（b） 示意图和横截面扫描电子显微镜（SEM）图像显示了多孔Janus TPU膜的分层过程和详细结构。（c） 示意图和SEM图像显示了溶剂化结构堵塞机制的设计原理，该机制允许控制电子皮肤用多孔Janus TPU膜的Tlarge/Tsmall比、孔隙率和孔径，同时具有防水性和透气性。

图2. 多孔Janus TPU膜的制备和表征。（a） 16-CuCl₂/TPU溶液（约0.5 mL）在两相凝固浴的水上铺展的光学照片。（b） 制备的16-CuCl₂/TPU膜的SEM图像。（c） 示意图显示了多孔Janus TPU膜的表面张力差和自限边界的影响。（d） VDMF/VTHF比对多孔Janus膜制备时间和面积的影响。VDMF/VTHF比对多孔Janus膜的（e）平均制备速率和（f）厚度的影响。

图3. 溶剂化结构堵塞机理的验证。（a） Cu²⁺溶剂化结构的MD模拟结果快照。（b） 测定了DMF、THF分子和Cl^-阴离子对Cu²⁺的吸附能。（c）Cu²⁺–Cl^–、（d）Cu–O（DMF）和（e）Cu–O（THF）的相应RDF和配位数图。（f） 横截面SEM图像显示了多孔Janus TPU膜的详细结构。（g） CuCl₂浓度对Janus TPU膜厚度以及大孔层和小孔层的影响。CuCl₂浓度对多孔Janus TPU膜的（h）Tlarge/Tsmall比和（i）孔隙率的影响。

图4. 多孔Janus TPU膜的渗透性、防水能力和机械性能。（a）小孔层和（b）大孔层表面的SEM图像以及孔径分布直方图显示了多孔Janus TPU膜的详细结构。（c） Janus TPU膜和商用TPU膜的透湿性结果。（d） Janus TPU膜大孔层和小孔层之间的表面防水性结果。（e） 多孔Janus TPU膜的拉伸应力-应变曲线。