固态天然小分子具有良好的抗菌特性和生物安全性，通过静电纺丝将其制备成功能纤维具有广泛的应用前景。特别是在空气过滤领域，固态小分子显示出独特的应用优势，例如，相比于常用的抗菌聚合物，小分子具有更好的可降解能力，是进一步实现可持续发展的绿色材料。由于缠结能力不足，天然小分子无法单独电纺，依赖于基聚合物实现可纺性。因此，最大程度提升小分子的负载率是功能纤维绿色制造的必然要求。然而，目前缺乏对固态小分子分散与负载机制的理解，阻碍了功能纤维的绿色制造与应用。

近日，厦门大学郑高峰副教授团队在期刊《Science of the Total Environment》上，发表了最新研究成果“Research on topological effect of natural small molecule and high–performance antibacterial air filtration application by electrospinning”。厦门大学为第一署名单位，论文第一作者为萨本栋微米纳米科学技术研究院博士生邵尊桂，通讯作者为郑高峰副教授。研究以分子-聚合物链间相互作用为出发点，以乙基纤维素（EC）为基聚合物，通过引入具有不同氢键形成能力的三种固态天然小分子（茶多酚TP、根皮素PL、姜黄素Cur）实现共混电纺，系统性研究了分散性、聚合物链拓扑形态、可纺性三者间的关系，阐明了固态天然小分子在聚合物溶液中的负载机理，优选出具有最佳负载能力的TP；随后，引入壳聚糖（CS）实现良好分散性和可纺性情况下的射流劈裂，制备EC/TP@CS树状纤维复合膜，首次实现了天然小分子高效负载情况下的高性能抗菌空气过滤。

图1：不同天然小分子负载的纤维膜制备成型与空气过滤性能。

首先通过傅里叶红外光谱（FTIR）证明了TP、PL、Cur三种小分子的氢键形成能力依次降低。随后，对比了TP、PL、Cur三种小分子在EC溶液中的分散性。TP在最高负载含量（16倍于Cur和4倍于PL）下仍具有良好的分散性与可纺性。

图2：不同类型纤维膜的FTIR与XRD曲线。

图3：含不同浓度天然小分子溶液的分散性对比。

图4：不同含量和不同类型天然小分子的电纺纤维形貌。

通过溶液粘度变化探究了小分子的氢键形成能力与聚合物链折叠程度的关系。在乙基纤维素溶液中加入小分子后，溶液粘度的异常降低证明聚合物链产生了折叠，氢键形成能力越强的小分子对聚合物链的折叠程度越高，溶液粘度下降更显著。据此，提出了小分子沿聚合物链的分散机制：TP由于其最强的氢键形成能力，可能导致聚合物链的折叠，这反过来促进了TP沿聚合物链的分散。

图5：溶液粘度与电导率对比。

最后，由于EC/TP良好的可纺性，在TP负载含量高达16wt%的情况下引入CS能够实现射流劈裂，制备出树状纤维结构，具有良好的空气过滤性能；另一方面，高含量TP与CS实现协同抗菌作用增强了抗菌能力。所制备EC/TP@CS纤维膜对0.3 μm NaCl颗粒的过滤效率为99.991 %，空气阻力仅为85.5 Pa，质量因子高达0.1089 Pa⁻¹，远高于KN95口罩（品质因数仅为0.06Pa^-1）。

图6：树状纤维膜的制备、空气过滤性能和抗菌能力。

这项工作为固态天然小分子在电纺功能纤维的制备提供了新思路，将进一步推动功能纤维的绿色制造，预期也将在食品包装、伤口敷料等领域取得良好的应用效果。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168654

人物简介：

郑高峰：

厦门大学，航空航天学院仪器与电气系副主任，副教授、博士生导师，工学博士。发表 SCI、EI收录学术论文150余篇，申请发明专利110余项，第一发明人已授权发明专利30余项。主持有国家自然科学基金、福建省自然科学基金、教育部博士点基金和厦门市科技计划项目等纵向课题；承担有多项企业委托技术开发课题。主要从事微纳喷印、静电纺丝、工业自动化、先进控制技术及系统集成应用等方面的研究工作。作为第一完成人获中国发明协会发明创新奖一等奖、福建省、厦门市科学技术进步奖二等奖各1项。

主要奖励：

1、2023中国发明协会发明创新奖一等奖（第一完成人）

2、2021年度福建省科学技术进步奖二等奖（第一完成人）

3、2021年度厦门市科学技术进步奖二等奖（第一完成人）

4、厦门市引进高层次人才“双百计划”领军型创业人才

5、2018年福建省第十三届自然科学优秀学术论文三等奖

6、厦门大学第二届“我最喜爱的十位老师”

7、首届全国高等学校青年教师电工学课程教学竞赛 二等奖

8、厦门大学2015年度“厦航奖教金”

9、厦门大学物理与机电工程学院2013年度“优秀班主任”