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本文围绕静电纺纤维基环境友好型防水透湿膜的设计构筑及其性能优化展开研究。将静电纺丝技术与表面改性技术相结合，通过逐步降低疏水剂中氟碳链段的长度以及采用水性乳液代替有机溶剂，提升了所制备防水透湿膜的环保性。同时，深入研究了疏水基团在纤维表面的含量与分布，纤维膜表面润湿性与孔结构对防水性、透湿性以及力学性能的影响。所取得的主要研究成果总结如下：
防水透湿膜不仅可以阻止液态水的渗透，还能有效传递水蒸汽，在防护服装、医疗卫生、建筑外墙、精密电子等领域具有广泛的应用。现有商品化的防水透湿膜主要分为两大类：亲水无孔膜和疏水微孔膜。典型的亲水膜如热塑性聚氨酯膜，其防水性能主要来源于无孔结构，透湿性能主要是通过分子中亲水链段的“吸附-扩散-解吸附”作用来实现的。典型的疏水微孔膜如聚四氟乙烯（PTFE）膜，其防水性、透湿性主要是基于膜的孔径介于水蒸汽分子和液态水分子的直径之间。由于水蒸汽分子在孔道内的传递要快于通过亲水性分子链段的扩散，因此，疏水微孔膜具有更加优异的透湿性能。然而，PTFE膜在其原料制备过程中会涉及到全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的使用，该类物质具有生物累积性、生物毒性和远距离迁移性，许多国家已纷纷出台相关的法律法规限制该类物质的广泛使用。此外，PTFE膜制备工艺复杂、生产条件要求高，且加工技术被国外公司垄断。因此，亟需开发简单可行的生产工艺制备具有高耐水压和高透湿量的环境友好型防水透湿膜。静电纺纤维膜具有直径细、孔隙率高、孔径小、孔道连通性好等优势，有利于阻止外界水分子的渗透和内部水蒸汽分子的快速输运。此外，纳米纤维结构可调性强、易于功能化改性，可以实现孔结构和表面润湿性的协同调控，有望制备出性能优异的环境友好型防水透湿材料。
（1）将合成的全氟己基链（-C6F13）封端的聚氨酯（C6FPU）引入到聚氨酯（PU）的静电纺丝过程中，构筑了具有良好疏水疏油性能的纤维表面，同时引入二价无机盐氯化镁（MgCl2）对纤维膜的孔径进行调控，一步制备出具有高耐水压和高透湿量的环境友好型防水透湿纤维膜。系统研究了C6FPU和MgCl2浓度对纤维表面化学组成、纤维膜孔结构、防水透湿性能和力学性能的影响，提出了纤维表面氟含量随C6FPU浓度的增加先增加后降低的动态变化机理。研究结果表明，通过对纤维膜表面润湿性和孔结构进行协同调控，可以制备出综合性能优异的PU/C6FPU/MgCl2环境友好型防水透湿纤维膜，其耐水压可达104kPa，透湿量为11.5kg m-2d-1，拉伸强度为12.4MPa。
（2）合成了全氟丁基链（-C4F9）双封端的聚氨酯（C4FPU），并将其引入到PU的纺丝溶液中，获得了具有双疏特性的纤维表面。结合X-射线光电子能谱（XPS）和元素分析研究了纤维膜表面和整体氟元素含量，发现表面氟含量（25.2%）高于其整体氟含量（1.1%），证明了含氟链段迁移并富集到了纤维表面。进一步引入无机盐硝酸银（AgNO3），不仅降低了纤维直径和纤维膜孔径，提升了其防水性能，而且使纤维膜获得一定的抗菌性能。此外，还系统研究了C4FPU和AgNO3浓度对纤维膜表面润湿性、孔径分布、孔隙率、防水性、透湿性及力学性能的影响。结果表明，当C4FPU浓度为2wt%、AgNO3浓度为0.015wt%时，所制备的PU/C4FPU/AgNO3纤维膜具有最佳的综合性能，其耐水压为102.8kPa，透湿量为12.9kg m-2d-1，力学强度为9.8MPa，同时纤维膜还具备一定的抗菌性能。
（3）利用水性碳四（C4）含氟疏水剂对静电纺聚丙烯腈（PAN）纤维膜进行表面涂层改性，构筑了具有优异拒水性能的纤维表面，同时纤维之间产生大量的粘连结构，不仅降低了纤维膜的孔径，而且有效地提升了其力学性能。随后，氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）乳液的使用进一步降低了纤维膜的最大孔径，在提升其防水性能的同时还赋予纤维膜一定的光催化降解能力。系统考察了含氟疏水剂和ZnO NPs乳液的浓度对纤维表面元素组成、纤维膜表面润湿性、孔结构、防水性、透湿性、力学强度和光催化性能的影响，同时阐明了纤维膜防水性、透湿性及光催化自清洁性能的机理。结果表明，当疏水剂浓度为2wt%，ZnO NPs浓度为6wt%时所制备的纤维膜具有最佳的整体性能，其耐水压为98.7kPa，透湿量为12.0kg m-2d-1，力学强度可达17.9MPa，且对有机污染物具有良好的光催化降解能力。
（4）利用水性无氟（C0）超支化树枝状大分子聚合物疏水剂和水性无氟封闭型异氰酸酯交联剂，通过逐步浸渍涂层和热固化技术，对可生物降解的醋酸纤维素（CA）静电纺纤维膜基材进行表面疏水改性。获得了具有良好疏水性能的纤维表面，且在纤维之间引入大量粘连结构，降低了纤维膜的孔径，有效提升了其防水性能和拉伸强度。利用交联剂的架桥作用，将疏水链段和CA纤维基材之间通过氨基甲酸酯基团连接，使得疏水剂中碳氢长链能够稳定包覆在纤维表面，增强了疏水涂层的耐久性。最终制备的纤维膜耐水压为102.9kPa，透湿量为12.3kg m-2d-1，其性能明显优于其它无氟防水透湿纤维膜。此外，还可以将该涂层体系用于其它亲水性纤维膜或织物的疏水改性，同样可以获得具有良好防水性、透湿性的功能纺织品。所制备的纤维膜和织物避免了因含氟物质的使用所带来的环境问题，降低了对环境的危害，而且为下一代新型防水透湿材料的制备提供了一种有效途径。
防水透湿膜不仅可以阻止液态水的渗透，还能有效传递水蒸汽，在防护服装、医疗卫生、建筑外墙、精密电子等领域具有广泛的应用。现有商品化的防水透湿膜主要分为两大类：亲水无孔膜和疏水微孔膜。典型的亲水膜如热塑性聚氨酯膜，其防水性能主要来源于无孔结构，透湿性能主要是通过分子中亲水链段的“吸附-扩散-解吸附”作用来实现的。典型的疏水微孔膜如聚四氟乙烯（PTFE）膜，其防水性、透湿性主要是基于膜的孔径介于水蒸汽分子和液态水分子的直径之间。由于水蒸汽分子在孔道内的传递要快于通过亲水性分子链段的扩散，因此，疏水微孔膜具有更加优异的透湿性能。然而，PTFE膜在其原料制备过程中会涉及到全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）的使用，该类物质具有生物累积性、生物毒性和远距离迁移性，许多国家已纷纷出台相关的法律法规限制该类物质的广泛使用。此外，PTFE膜制备工艺复杂、生产条件要求高，且加工技术被国外公司垄断。因此，亟需开发简单可行的生产工艺制备具有高耐水压和高透湿量的环境友好型防水透湿膜。静电纺纤维膜具有直径细、孔隙率高、孔径小、孔道连通性好等优势，有利于阻止外界水分子的渗透和内部水蒸汽分子的快速输运。此外，纳米纤维结构可调性强、易于功能化改性，可以实现孔结构和表面润湿性的协同调控，有望制备出性能优异的环境友好型防水透湿材料。
（1）将合成的全氟己基链（-C6F13）封端的聚氨酯（C6FPU）引入到聚氨酯（PU）的静电纺丝过程中，构筑了具有良好疏水疏油性能的纤维表面，同时引入二价无机盐氯化镁（MgCl2）对纤维膜的孔径进行调控，一步制备出具有高耐水压和高透湿量的环境友好型防水透湿纤维膜。系统研究了C6FPU和MgCl2浓度对纤维表面化学组成、纤维膜孔结构、防水透湿性能和力学性能的影响，提出了纤维表面氟含量随C6FPU浓度的增加先增加后降低的动态变化机理。研究结果表明，通过对纤维膜表面润湿性和孔结构进行协同调控，可以制备出综合性能优异的PU/C6FPU/MgCl2环境友好型防水透湿纤维膜，其耐水压可达104kPa，透湿量为11.5kg m-2d-1，拉伸强度为12.4MPa。
（2）合成了全氟丁基链（-C4F9）双封端的聚氨酯（C4FPU），并将其引入到PU的纺丝溶液中，获得了具有双疏特性的纤维表面。结合X-射线光电子能谱（XPS）和元素分析研究了纤维膜表面和整体氟元素含量，发现表面氟含量（25.2%）高于其整体氟含量（1.1%），证明了含氟链段迁移并富集到了纤维表面。进一步引入无机盐硝酸银（AgNO3），不仅降低了纤维直径和纤维膜孔径，提升了其防水性能，而且使纤维膜获得一定的抗菌性能。此外，还系统研究了C4FPU和AgNO3浓度对纤维膜表面润湿性、孔径分布、孔隙率、防水性、透湿性及力学性能的影响。结果表明，当C4FPU浓度为2wt%、AgNO3浓度为0.015wt%时，所制备的PU/C4FPU/AgNO3纤维膜具有最佳的综合性能，其耐水压为102.8kPa，透湿量为12.9kg m-2d-1，力学强度为9.8MPa，同时纤维膜还具备一定的抗菌性能。
（3）利用水性碳四（C4）含氟疏水剂对静电纺聚丙烯腈（PAN）纤维膜进行表面涂层改性，构筑了具有优异拒水性能的纤维表面，同时纤维之间产生大量的粘连结构，不仅降低了纤维膜的孔径，而且有效地提升了其力学性能。随后，氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）乳液的使用进一步降低了纤维膜的最大孔径，在提升其防水性能的同时还赋予纤维膜一定的光催化降解能力。系统考察了含氟疏水剂和ZnO NPs乳液的浓度对纤维表面元素组成、纤维膜表面润湿性、孔结构、防水性、透湿性、力学强度和光催化性能的影响，同时阐明了纤维膜防水性、透湿性及光催化自清洁性能的机理。结果表明，当疏水剂浓度为2wt%，ZnO NPs浓度为6wt%时所制备的纤维膜具有最佳的整体性能，其耐水压为98.7kPa，透湿量为12.0kg m-2d-1，力学强度可达17.9MPa，且对有机污染物具有良好的光催化降解能力。
（4）利用水性无氟（C0）超支化树枝状大分子聚合物疏水剂和水性无氟封闭型异氰酸酯交联剂，通过逐步浸渍涂层和热固化技术，对可生物降解的醋酸纤维素（CA）静电纺纤维膜基材进行表面疏水改性。获得了具有良好疏水性能的纤维表面，且在纤维之间引入大量粘连结构，降低了纤维膜的孔径，有效提升了其防水性能和拉伸强度。利用交联剂的架桥作用，将疏水链段和CA纤维基材之间通过氨基甲酸酯基团连接，使得疏水剂中碳氢长链能够稳定包覆在纤维表面，增强了疏水涂层的耐久性。最终制备的纤维膜耐水压为102.9kPa，透湿量为12.3kg m-2d-1，其性能明显优于其它无氟防水透湿纤维膜。此外，还可以将该涂层体系用于其它亲水性纤维膜或织物的疏水改性，同样可以获得具有良好防水性、透湿性的功能纺织品。所制备的纤维膜和织物避免了因含氟物质的使用所带来的环境问题，降低了对环境的危害，而且为下一代新型防水透湿材料的制备提供了一种有效途径。