尽管通过静电纺丝聚乳酸（PLA）膜制造可生物降解和环境友好型的空气过滤材料具有巨大潜力，但由于物理截留或静电吸附机制不足以捕获空气中的超细颗粒物（PM），过滤性能尚不能满足实际应用需求。通过静电纺丝控制纤维及其聚集体形态，例如能够促进滑移效应的双峰纤维和突起，具有平衡效率和压降的潜力。使用传统的驻极体填料能够提高纤维膜的静电吸附能力，但限制了纤维膜过滤器的生物相容性和降解性。因此，提升PLA纤维膜的PM过滤性能和全降解性能仍然面临巨大挑战。

近日，中国矿业大学研究团队在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Bioelectrets in Electrospun Bimodal Poly(lactic acid) Fibers: Realization of Multiple Mechanisms for Efficient and Long-Term Filtration of Fine PMs”。 研究者利用平行纺丝的方法，使邻近的PLA纳米纤维共轭形成微米级纤维，在静电纺丝PLA膜中形成独特的微纳结构，从而增强了PLA膜的滑移效应，显著降低了空气阻力。利用类骨结构纳米晶羟基磷灰石生物驻极体(HABE)增强静电纺PLA的介电、极化和原位驻极性能，并伴有HABE微聚集诱导的结的可控生成(10-30 wt %)。鉴于多种捕获机制，微/纳米结构 PLA/HABE 膜具有优异且可持续的过滤性能。多功能的完全可生物降解的PLA/HABE过滤膜同时具有增强的力学性能和优异的空气和油性污染物净化能力。生物驻极体和双峰结构策略的结合提供了高效过滤和低阻力的功能集成，这对追求完全可生物降解的高性能过滤器非常有用。

所采用的HABE在施加的电场中有序取向排列，并在很大程度上提高电荷储存能力和表面电位，从纯PLA的最低2.5 kV逐渐增加到7.2 kV。这主要是由于HABE诱导的PLA主链和C═O偶极子的取向，以及HABE-PLA和结晶区域-无定形PLA界面的界面电荷捕获。考虑到多种捕获机制， 微纳米结构的PLA/HABE膜具有优异的可持续过滤性能， 例如， 添加30 wt % HABE后，PM0.3的过滤效率在32 L/min的中等气流速度下PLA纤维膜从59.38%提升至94.38%，在85 L/min的最高气流速度下从30.78%提升至83.75%。值得注意的是，压降在各流速下均显著降低，主要是由于超细纳米纤维和共轭微米纤维之间的滑移效应。

图1：制备HABE修饰的PLA膜的示意图。(a)制备具有PLA−HABE氢键的均匀纺丝溶液，HABE(10%、20%和30% wt %)在PLA溶液中得到良好的剥离和分散。(b)平行静电纺丝工艺示意图，使双峰纤维的形成和原位极化成为可能。(c)由纯PLA双峰纤维组成的正常PLA纤维膜。(d) HABE修饰的PLA纤维膜，具有双峰纤维，HABE增强的电荷储存，以及由HABE微聚集引起的独特突起。

图2：HABE修饰的PLA纤维膜的形态特征。 (a - d)纯PLA， (b, b1, f) PLA/HABE10， (c, c1, g) PLA/HABE20， (d, d1, h) PLA/HABE30纤维膜的SEM图像和(e - h)纤维直径统计分析。(d1)中插入的TEM图像验证了HABE的取向。聚集诱导的突起和共轭纤维分别用黄色和蓝色箭头表示。所有样品的纤维直径呈典型的双峰分布，这主要对应于纳米尺度的单根纤维和微米尺度的共轭纤维。

图3：HABE使PLA膜过滤器具有强大的体积电荷积累和极化特性。(a)照片显示了咖啡粉在PLA/HABE30膜上的吸附，具有高静电吸引力。(b)聚乳酸膜的表面电位与HABE含量的关系。(c)介电常数，(d) FTIR光谱，(e) DSC，(f) DSC结果计算的结晶度。(g) PLA主链取向导致偶极电荷的形成。(h) HABE - PLA和非晶态PLA界面相产生的界面电荷，(i)偶极取向和界面陷阱形成的深、浅电荷陷阱。

图4：PLA/HABE膜过滤器对PM0.3的过滤性能。(a,b)过滤效率和压降，(c,d)低流速为10和32 L/min，高流速为65和85 L/min时测定的QF值。(e)四种流速下PLA/HABE30膜过滤器上下游PM的浓度与粒径。(f)纯PLA， (g) PLA/HABE10， (h) PLA/HABE20， (i) PLA/HABE30膜过滤器经过空气过滤试验后的SEM观察。

图5：PLA/HABE30过滤器在高相对湿度(90±5%)和稳定流量(32 L/min)下的长期过滤性能。(a)长期服役时间内PM0.3、PM2.5、PM10的过滤效率。(b)过滤器在10 ~ 300 nm、0.3 ~ 2.5 μm和2.5 ~ 10 μm范围内的上下游粒径分布。插入的SEM图像显示了捕获PM的膜过滤器。在测试过程中始终保持低空气阻力(60 Pa)。(c)比较纯PLA过滤器和PLA/ HABE过滤器去除PM的示意图。(d) HABE修饰的PLA双峰纤维优异过滤性能的机理分析。

图6：PLA/HABE30过滤器高效净化油性烟雾。(a)油性物质过滤测试系统。(b)用商用熔喷聚丙烯口罩和我们的PLA/HABE30过滤器过滤前后的PM0.3, PM2.5和PM10的数量。(c)照片和(d)扫描电镜图像显示PLA/HABE30对油性PM的极强过滤。(e)PLA链(含8个单体)和(f)尼古丁的分子表面静电电位图，从分子间静电吸引的角度对去除机制进行了深入研究。

此外，通过土壤堆肥降解考察了HABE修饰的PLA膜的良好降解性，在137天内，复合膜表现出充分的生物降解能力。因此，多功能的完全可生物降解的PLA/HABE过滤膜具有增强的机械性能和优异的空气和烟雾污染物净化能力，为高性能过滤器的应用提供了巨大的前景。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c02365

人物简介：

通讯作者：徐欢，副教授，中国矿业大学硕士生导师。长期从事可降解高分子材料形态与性能调控的理论基础和加工方法研究，参与国家能源集团“井工煤矿粉尘与职业病防治研究”项目，聚焦空气清洁化、疾病防控和塑料污染等重大民生问题，攻关矿井粉尘滤除关键材料绿色化技术，开展了高效空气过滤终端用聚乳酸微/纳纤维材料研发。近五年以第一/通讯作者发表SCI论文13篇（其中JCR一区6篇），卓越中文期刊3篇，授权发明专利8件，获2021年贵州省自然科学奖三等奖（排名2/3），2022年全国博士后揭榜领题金奖。

联系邮箱：hihuan@cumt.edu.cn

第一作者：唐梦珂，中国矿业大学材料与物理学院在读硕士生。在International Journal of Biological Macromolecules、ACS Applied Materials & Interfaces国际知名学术期刊上发表SCI论文2篇。

联系邮箱：tangmke@163.com