超细颗粒物（PM）是威胁人类健康的最常见空气污染物之一，因此个人防护装备用纤维过滤材料的开发十分重要且备受关注。其中，静电纺纳米纤维凭借纳米级直径和较大的比表面积，在空气过滤防护领域展现出极佳的应用前景。迄今为止，大多数PM过滤用静电纺纤维材料的开发是基于不可降解的石油基聚合物，其大量使用势必会带来负面的环境问题并加剧资源枯竭。聚乳酸是一种可降解的生物基聚合物，其原料来源广、产能大，是当前石油基聚合物的主要替代产品之一，目前已经有相关报道采用聚乳酸纤维材料构筑各类PM过滤器，但仍难以平衡解决其滤效与压降之间的矛盾性。由此可见，兼备高效过滤性和良好可呼吸性的聚乳酸纤维基过滤材料开发十分必要且亟待解决。

近日，青岛大学非织造材料与产业用纺织品创新研究院宁新教授团队在期刊《Journal of Hazardous Materials》上发表了最新研究成果“一步法制备具有蛛网结构的聚乳酸纳米纤维膜用于高效捕获PM_0.3”（One-step fabrication of polylactic acid (PLA) nanofibrous membranes with spider-web-like structure for high-efficiency PM_0.3 capture）。青岛大学为第一署名单位，论文第一作者为非织造材料与产业用纺织品创新研究院博士生赵银桃，通讯作者为宁新教授和青年教师王雪芳。研究工作采用双射流同步静电纺丝技术一步法制备具有蛛网状结构的聚乳酸纳米纤维膜，其中的多尺度纳米纤维和珠粒结构能够协同作用，在高效捕获PM颗粒的同时保持良好的可呼吸性。所构建蛛网状聚乳酸纳米纤维膜（SPNM）对PM_0.3的过滤效率和压降分别为99.87%和19 Pa，所得品质因数高达0.321 Pa^-1，而且在高湿度环境下SPNM仍具有极佳的过滤稳定性。

图1 （a）蛛网微观结构分析；（b）4032D和3152D聚乳酸（PLA）的重均分子量分布；不同浓度的PLA溶液的（c）粘度、（d）电导率、（e）表面张力和（f）溶剂的挥发率；（g）双射流同步静电纺丝和纤维成型工艺示意图。 

团队受启发于自然界中的蛛网结构，其支撑线作为基本框架而分布的粘足线和粘珠则强化蛛网的捕获能力（图1a），并根据这种结构-性能关系进行PLA基纤维过滤器的开发探索。基于链缠结理论，选用不同分子量的PLA进行针对性构建纳米纤维和珠粒结构单元（图1b），并计算理论链缠结浓度用以指导纺丝液浓度梯度的设置。文章研究了不同纺丝液的粘度、电导率、表面张力的变化，并测定了两种溶剂体系挥发速率的差异（图1c-f）。基于临界电压公式计算出理论纺丝工艺参数，并通过双射流同步静电纺丝一步法实现蛛网状PLA纳米纤维膜（SPNM）的制备（图1g）。

图2 （a-b）SEM图像和（c）P4NM的直径分布图；（d-e）SEM图像和（f）P3NM的直径分布图；（g-h）SEM图像和（i）SPNM的直径分布图。 

纳米纤维膜表面微观形貌分析证实，所制备SPNM结构中同时包含较粗且均匀的纳米纤维、超细纳米纤维和珠粒结构，这些结构单元分别属于4032D聚乳酸纺丝液所制备纤维膜（P4NM）和3152D聚乳酸纺丝液所制备纤维膜（P3NM），说明具有多尺度纳米纤维和珠粒结构的SPNM成功构建（图2）。此外，在差异化挥发速率的影响下，SPNM中的珠粒结构在接触纳米纤维时，由于溶剂尚未挥发完全，与纤维相互结合，充当了纤维膜中的固结点。这一特性赋予SPNM优异的力学性能，其拉伸断裂强度和杨氏模量都得到显著提升，同时固结点的存在也无可避免的限制了纤维滑移而引起韧性下降（图3）。

图3 （a） 拉伸应力-应变曲线；（b） 抗拉强度和杨氏模量；（c） NMs的断裂伸长率和断裂能；SEM图像显示（d）P4NM、（e）P3NM、（f）SPNM的纤维结合点。

如图4所示，文章中测试了不同纺丝时间下三种纳米纤维膜对PM_2.5、PM₁和PM_0.3的过滤性能，证实SPNM表现出最佳的过滤性能，并基于惯性冲击、直接拦截、布朗运动、静电吸引等机制对三种膜对三种颗粒物过滤效果的差异性进行分析揭示。研究指出，在同一层面上SPNM结构更为致密，从而赋予其良好的过滤效率，同时SPNM中珠粒具有较大的位阻，能够撑起纤维间的孔隙，减少空气流通阻力而降低压降，从而达到较为理想的品质因数。

图4 NMs在不同纺丝时间对（a）PM_2.5、（b）PM₁、（c）PM_0.3的过滤效率；（d） 旋转时间为90分钟时NMs的压降和QF；（e）NMs捕获PM的示意图；（f） 孔径分布和（g）NMs的孔隙率和堆积密度；（h） SPNM在不同空气流量下的过滤效率和压降；（i） 文献中报道的不同过滤器的比较。

通过连续十次过滤性能测试证实SPNM优异的性能稳定性，其滤效和压降仍分别保持在99.8%和 20 Pa。在开放环境中放置6月并定期测定其过滤性能，证实该SPNM表现出极佳的过滤效能持久性。研究工作中还对所构建SPNM的实际烟雾颗粒过滤效果进行评估，发现SPNM可以在1.3分钟内完成PM2_.5过滤（由999 mg/m³降低至10 mg/m³），证实SPNM对烟雾颗粒具有较好的截留效果（图5）。

图5 SPNM的过滤效率和压降（a）10个循环，（b）6个月；（c）过滤NaCl后的SEM图像；（d）SPNM在口罩中的过滤效果；（e）PM_2.5过滤装置图片；（f）过滤烟雾后表面的SEM图像；（g）循环过滤PM_2.5 12个循环。

得益于SPNM中的多尺度纳米纤维和珠粒结构，SPNM表现出优异的疏水性，其水接触角高达143.2°，从而赋予SPNM良好的自清洁能力。此外，在高湿度环境下的SPNM过滤性能测试，证实即使在60%RH和90%RH下处理24小时，SPNM过滤性能几乎保持不变，证明其在高湿度环境中依然有较高应用价值（图6）。

图6 不同NMs的水接触角。（b） 蓝色水滴滴落在SPNM表面的照片以及SPNM的自清洁过程；（c）自制密封透明恒湿箱。在60%RH和90%RH条件下对（d）PM_2.5、（e）PM₁、（f）PM_0.3进行连续过滤试验。

本工作通过调节纺丝溶液性质，利用双射流同步静电纺丝制备出了蜘蛛网状聚乳酸纳米纤维膜，SPNM中的分级结构单元相互补充形成了更窄的孔径，赋予了SPNM良好的过滤效率。此外，珠粒不仅可以作为纤维之间的庞大支撑点，改善结构蓬松度并降低SPNM的气流阻力，还可以作为纤维间的丰富固结点，以提高SPNM的机械性能。得益于分级结构，SPNM在过滤效率方面表现出优异的稳定性和耐久性，在10个周期的测试和6个月的长期测试中，过滤效率分别保持在99.8%和98.71%。此外，SPNM还显示出高效的实际过滤能力，可以捕获和净化实际烟雾。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.133232

人物简介

赵银桃，青岛大学在读博士，研究方向为生物可降解聚合物的纤维成型及结构调控。作为团队负责人获得第八届全国“互联网+”大学生创新创业大赛国家级铜奖；获得2019年度“中国化学纤维工业协会•恒逸基金”三等奖；获得2022年度山东省第四届“省长杯”工业设计大赛银奖及铜奖等多项荣誉。现已在Journal of Hazardous Materials、International Journal of Biological Macromolecules、Cellulose等期刊发表论文十余篇。

王雪芳，工学博士，青岛大学青年卓越人才，助理教授，硕士生导师。主要从事可降解高分子合成改性、生物基纤维材料成型构筑与性能调控、环境净化用高效能过滤与吸收型分离材料设计开发等相关研究。目前已在Journal of Hazardous Materials、ACS Macro Letters，Journal of Materials Chemistry B，ACS Applied Materials & Interfaces，Reactive and Functional Polymers等SCI期刊和中国科技卓越期刊上发表研究论文10余篇，获国家授权发明专利3项。主持及参与国家级、省市级等科研项目5项，主持市级金种子人才项目1项和企业研发项目2项。

联系邮箱:qdwangxuefang@163.com 

宁新，男，博士，教授，纺织科学与工程博士生导师，博士后导师。现为青岛大学非织造材料与产业用纺织品创新研究院院长，主要研究领域为非织造材料和装备、卫生及医用耗材、产业纺织品复合材料、高分子药物缓释体系、环境工程功能纤维及材料。获国家发改委2012年专项资金鼓励；在医疗卫生用无纺布材料开发和产业化上先后获得山东省科技进步一等奖（2014），中国纺织工业总会科技进步二等奖（2013）。2016 年起任青岛大学全职教授，创建非织造材料与产业用纺织品创新研究院。获批山东省特型非织造材料工程研究中心（2018，2022），主持山东省重点研发计划重大科技创新工程、青岛市第五批创业创新领军人才项目等纵横向项目，授权发明专利5项。目前已在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Journal of Hazardous Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、 Journal of Power Sources等期刊发表论文80 篇以上。

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