颗粒物（PM）可与病毒、重金属结合进入人体，引发多种疾病，严重威胁公众健康。静电纺聚合物纤维膜具有高比表面积、高孔隙率、纤维直径和形貌可控等优点，具有更好的颗粒拦截和促进气流的作用，使其成为解决PM污染的有效选择。然而，电纺纤维膜也面临一些挑战，包括溶剂毒性、聚合物的不可降解性、高阻力和过滤不稳定等。

近日，北京化工大学材料学院刘勇团队在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“Multi-level structured polylactic acid electrospun fiber membrane based on green solvents for high-performance air filtration”。研究者选用了N,N-二甲基乙酰胺和碳酸二甲酯的绿色混合溶剂，制备出带有珠子和裂纹的聚乳酸（PLA）纤维膜，并通过结构设计制备了双层过滤器（图1）。

图1. PLA纤维膜的制备和溶液性质。

经GSK溶剂可持续指南评估发现，相较于PLA常用的溶剂如丙酮、氯仿等，该溶剂组合具有更高的绿色程度。混合溶剂的挥发速率差异使得PLA射流在纺丝过程中发生了相分离，进而产生了裂纹，这种结构大大增加了纤维的比表面积，增强了PMs的吸附。珠子的出现则与射流的粘弹性、表面张力和静电斥力之间的平衡相关，在一定程度上提高了纤维膜的蓬松度，有助于降低气流阻力。

双层结构赋予了PLA纤维膜更低的气流阻力和增强的拉伸强度。首先，两层膜界面之间的纤维缠绕使得其拉伸强度大幅度提高，同样纺丝时间下，双层膜的拉伸强度达到了2.02 MPa，而单层膜的拉伸强度只有0.8 MPa（图2）。

图2. 双层膜的截面形貌及拉伸应力应变曲线。

其次，通过静电纺丝直接沉积法将两组具有不同粒径过滤特点的纤维膜以一定的比例组装在一起，实现了颗粒的分级过滤，降低了阻力。经测试，双层膜在32 L/min的测试流速下实现了大于98%的过滤效率和低至31Pa的气流阻力。不仅如此，双层膜的水接触角分别为124°和130°。超细纤维的芯吸效应和纺锤结导致的拉普拉斯压力差共同带来的疏水效果使得其能在高湿度环境下应用（图3）。

用蚊香模拟真实的PM颗粒污染并测试发现：所制备的纤维膜的粗糙表面可以有效、均匀地拦截PM颗粒，在高PM污染条件下循环过滤250分钟后，过滤效率仅下降1.36%，压降增加1Pa，凸显了这种绿色环保双层过滤器的潜在应用前景（图4）。

图3. 双层膜的低湿度过滤性能及高湿度过滤性能。

图4. 双层膜的PM过滤性能。

该工作得到了国家自然科学基金项目（No. 21374008）和斯洛伐克研究与发展局合同项目（SK-CN-21-0010）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125659

原文文献：

Multi-level structured polylactic acid electrospun fiber membrane based on green solvents for high-performance air filtration.pdf