DOI: 10.1021/acsami.3c02365

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器具有巨大潜力，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。在此，研究者利用平行纺丝的方法，使邻近的PLA纳米纤维共轭形成独特的微纳结构，在静电纺丝PLA膜中构建了双峰纤维，从而增强了PLA膜的滑移效应，显著降低了空气阻力。此外，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的介电和极化性能，并伴有HABE微聚集诱导的结的可控生成（10-30wt%）。引入的HABE在施加电场中有序排列，并在很大程度上提高了充电能力和表面电位，从纯PLA的最低2.5kV逐渐增加到7.2kV。这主要是由于HABE诱导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。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。例如，添加30wt% HABE后，PLA纤维膜的PM0.3过滤效率在32L/min的中等气流速度下从59.38%提升至94.38%，在85L/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。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，有利于推动完全可生物降解高性能过滤器的开发。

图1.HABE修饰PLA膜的制备示意图。（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具有高静电吸引力的PLA/HABE30膜上的吸附。（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）根据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.（a）设计的气溶胶PM过滤测量试验装置示意图。（b）双峰PLA/HABE纤维提供了多种机制来捕获空气中的PM。

图5.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32L/min，高流速为65和85L/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6.PLA/HABE30过滤器在高相对湿度（90±5%）和稳定流量（32L/min）下的长期过滤性能。（a）长期使用时间内PM0.3、PM2.5和PM10的过滤效率。（b）过滤器在10-300nm、0.3-2.5μm和2.5-10μm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（60Pa）。（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PLA双峰纤维优异过滤性能的机理分析。

图7.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）经商用熔喷聚丙烯口罩和本研究中的PLA/HABE30过滤器过滤前后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。