单步微流控方法制备纳米颗粒涂层功能微纤维，为水体净化助力-北京永康乐业科技发展有限公司

纳米颗粒涂层纤维在催化剂、生物传感器、组织工程支架以及水体污染物吸附剂等多个领域展现出广泛的应用潜力。然而，现有的制造工艺通常需要多步骤操作，这通常会导致纳米粒子涂层不均匀，从而降低其活性。

近期，有研究人员提出了一种新颖的单步微流控方法，成功制备了均匀氧化镁（MgO）纳米粒子涂覆的聚偏氟乙烯（PVDF）微纤维，用于有效去除水中的重金属污染物。相关研究以“Single-Step Microfluidics-Based Method for Fabrication of Nanoparticle-Coated Functional Microfibers”为题目，发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

本文要点：

1、本文提出了一种新颖的单步微流控方法，用于制备表面均匀涂覆纳米颗粒的功能性微纤维。

2、在微流控装置中，MgO纳米颗粒沉积在聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物溶液射流上，该射流通过溶剂蒸发固化成纤维，形成的纤维表面涂有均匀的纳米颗粒。

3、实验结果显示，所制备的MgO涂覆微纤维在去除水中重金属（如三价和五价砷、铅和镉）方面表现出显著的效果，其去除污染物的效率比单独使用MgO纳米颗粒时更高。

4、该技术不仅适用于制造MgO涂覆纤维，还可拓展至其他纳米材料（如纳米棒、量子点、蛋白质等）涂覆纤维的制备，有望在众多领域实现广泛应用。

氧化镁（MgO）纳米颗粒涂覆聚偏氟乙烯（PVDF）微纤维的制备过程主要包括以下几个步骤：

1.聚合物溶液的准备

将0.5克PVDF颗粒溶解在10毫升N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中，在65°C下加热30分钟，确保完全溶解，并在连续搅拌条件下过夜以保证均匀性。溶液浓度为5% w/v。

2.纳米颗粒分散液的制备

将50毫升1 M Mg(NO₃)₂·6H₂O前驱体加热至120°C，快速（5秒内）加入50毫升0.5 M Na₂CO₃溶液，搅拌混合1分钟后静置2小时，以形成MgO纳米颗粒。随后，白色沉淀被收集并用乙醇和Milli-Q水洗涤三次，最后在500°C下以5°C/min的升温速率煅烧4小时以获得MgO纳米颗粒。

3.微流控设备的设计与制造

制备一种玻璃微流控装置，内含一个用于PVDF-DMAc溶液的内层管道（0.7 mm内径，30 μm尖端直径）和一个用于MgO纳米颗粒分散液的外层管道（1.0 mm内径）。在设备中，聚合物溶液以0.5 mL/h的流速从内管道注入，而外管道则以250 mL/h的流速注入MgO分散液。

4.微纤维的生成与涂覆

聚合物溶液在内管道喷射，形成细喷射流，与外层流动的MgO分散液接触。在此过程中，由于溶剂的去除，聚合物喷射流迅速固化成微纤维，同时MgO纳米颗粒均匀涂覆在微纤维表面。

5.纤维的收集与干燥

生成的PVDF-MgO微纤维被收集在培养皿中，并在70°C下烘干24小时，以便于进一步表征。

6.纳米颗粒涂层微纤维的表征

使用扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）检查微纤维表面MgO纳米颗粒的均匀涂覆。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析纤维表面的官能团和MgO与PVDF之间的相互作用。X射线衍射（XRD）用于确定MgO颗粒、PVDF纤维以及MgO纳米颗粒涂覆PVDF纤维的结晶性。最后，通过电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）定量分析PVDF纤维上MgO的负载量。

如何确保MgO纳米颗粒均匀涂覆在PVDF微纤维表面？

1、微流控设备设计：采用微流控技术，设计带有内外两个流体通道的设备，内层通道用于注入聚偏氟乙烯（PVDF）-DMAc溶液，外层通道注入MgO纳米颗粒的水相分散液。这种共流的方式能有效控制纳米颗粒与聚合物喷射流的接触。

2、流体流速优化：内流速和外流速的设置至关重要。研究表明，内流速为0.5 mL/h，外流速为250 mL/h时能够生成均匀的PVDF微纤维。这种流速组合确保了MgO纳米颗粒能够在高流速的水相中均匀分散，并及时附着到固化的聚合物表面。

3、快速固化过程：纳米颗粒是在聚合物喷射流快速固化的同时进行沉积的，固化后的PVDF表面能有效粘附纳米颗粒。该过程中的溶剂去除增强了粒子与纤维表面的结合，从而提高了涂层的均匀性。

4、流体动力学和静电相互作用：MgO纳米颗粒带有正电荷，而PVDF纤维带有负电荷，静电引力有助于增强纳米颗粒的吸附。此外，流体动力学的相互作用也促进了粒子的均匀分布。

5、调整聚合物浓度与流速关系：通过调整PVDF的重量百分比（例如5%和10%），也能影响微纤维的直径及纳米颗粒的均匀涂覆程度。通过对流速和聚合物浓度的实验优化，可以获得理想的涂覆效果。

综上所述，通过上述微流控工艺设计、流速优化、快速固化以及静电与流体动力学的综合作用，可以有效确保氧化镁纳米颗粒的均匀涂覆。

图1.涉及MgO纳米颗粒涂覆PVDF纤维的制备和测试的方案示意图：（a）聚合物溶液的制备。（b）纳米颗粒分散液的制备。（c）纳米颗粒涂覆聚合物纤维的微流控制备方法。（d）使用制备的纤维去除废水中的重金属。

图2.基于单步微流控技术制备纳米颗粒涂覆聚合物微纤维。（a）在内部圆柱形玻璃毛细管尖端产生的PVDF溶液射流的显微图，该毛细管同轴放置在承载外部共流MgO纳米颗粒水相分散液的方形玻璃通道内。（b）微流控装置的示意图显示了纳米颗粒同时沉积在通过溶剂蒸发固化的纤维表面上。

图3.在多种聚合物浓度下连续生产微纤维。使用不同浓度的PVDF（a）5wt%；比例尺：20μm，（b）10wt%；比例尺：50μm，（c）5wt%和10wt% PVDF纤维的直径，（d）5wt% PVDF微纤维批量生产的显微图像。所有情况下内外流速均保持在0.5和250mL/h。

图4.外部流速对5wt% MgO纳米颗粒涂覆PVDF微纤维直径的影响，该微纤维使用0.5 mL/h的恒定内部流速和50至250 mL/h的变化外部流速合成。2500×（a−d）和10000×（e−h）放大倍率下的扫描电子显微镜图像。外层液体为水相MgO纳米颗粒分散液。

图5.通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散谱（EDS）确认MgO纳米颗粒在PVDF微纤维表面的均匀沉积。（a）PVDF微纤维的扫描电子显微镜图像，显示MgO纳米颗粒的均匀涂覆，（b）纤维表面的EDS映射显示F、Mg和O的存在和分布。这些纤维由5wt% PVDF在0.5和250mL/h的内外流速下制备而成。