静电纺丝聚合物纤维以其高孔隙率和大比表面积而备受关注，尤其在生物降解聚合物电纺膜方面，它在应对PM污染问题上展现出巨大潜力。然而，这类膜的稳定性有待提高，因为它们容易受到紫外线的影响，导致过滤性能下降。此外，具备抗菌功能的过滤器在防控传染病方面显示出更高的效率。

近日，北京化工大学刘勇教授和洪崧副教授在期刊《Separation and purification technology》上发表了最新研究成果“Electrospun membrane of PLA/calendula with improved UV protection and stable filtration performance”。研究者通过静电纺丝技术制备了具有分级结构的PLA/金盏花纤维膜。与纯PLA纤维膜相比，PLA/金盏花纤维膜表现出更稳定的高效过滤能力、优异的紫外防护能力和一定的抑菌潜力。

金盏花提取物的添加显著改善了溶液的电导率和粘度，特别是当含量达到11wt%时，电导率增至未添加时的2.72倍。如图1所示，这一变化导致PLA/金盏花纤维膜在形成过程中产生弯曲结构，这种结构在静电沉积和纤维直径差异的影响下，使得双层膜的纤维之间产生缠绕，从而增强了膜的机械性能。结果表明，双层膜的强度从单层的0.8 MPa提升至2.0 MPa，断裂伸长率也从23%增加至55%（图1k），显著提高了过滤膜的稳定性和耐用性。

图1. 纤维膜的形貌、XRD谱图及拉伸应力应变曲线

该双层过滤器由粗纤维和带有串珠的细纤维组成，粗纤维提供气流通过的通道，并拦截大粒径PM，而细纤维则主要负责拦截细小颗粒（0.3 μm），串珠则使膜内路径复杂化，强化颗粒的拦截。在32 L/min流速下，不同金盏花含量的纤维膜均展现出超过99%的过滤效率和相对较低的压降。随着流量增加，所有膜的过滤效率略有下降，但金盏花纤维膜即使在高流量下也能维持高过滤效率。模拟和实验结果表明，上层纤维的致密结构导致较大的静压力，而纤维的弯曲状态增加了气流通过的复杂性，从而略微提高了压降。

图2. 纤维膜的过滤性能及流场分布

金盏花纤维膜在200-400 nm波段具有较低的紫外线透过率和较高的反射率，尤其在240-400 nm范围内表现出显著的紫外吸光度。如图3g-k所示，在254 nm紫外波长下经过2小时照射后，纤维膜的拉伸强度损失率降低，表明金盏花提取物中的小分子能有效吸收紫外线，减少材料的机械损失。这一效果相当于自然条件下长达75-184天的紫外线防护。纤维膜的这种紫外防护特性，尤其是在UVA和UVB波段，对于户外纺织品的保护作用尤为重要。

图3.PLA/金盏花的紫外防护能力及机制

基于菌落计数法表征了双层过滤器对金黄色葡萄球菌的抑制效果。纯PLA膜的抑菌率只有32%，含有金盏花的纤维膜的抑菌率随着含量的增加而增大，当添加量为11wt%的时候，抑菌率为88%。此外，金盏花纤维膜的水接触角均在130°以上，说明PLA/金盏花纤维膜具有一定的高湿度应用潜力。

图4. PLA/金盏花对于金装色葡萄球菌的抑制作用

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.127310

人物简介：

刘勇，教授，博导。主要从事高分子及纳米复合材料制备与应用等研究。在特种高性能塑料应用、橡胶制品性能提升、塑料产品配方及工艺开发、特种功能纤维成型、静电纺丝制备超细纤维、净化甲醛及空气中PM2.5、燃料电池关键组件、生物医学材料等方面均有研究。迄今发表期刊文章192篇，出版中文专著1部，英文专著2部，译著3部，著作章节2章，获国内外授权专利66项，其中转让9项。是Renewable and Sustainable Energy Reviews (IF 15.9)和Polymers (IF 5.0)的特刊主编。获国家科技进步二等奖1项，省部级技术发明二等奖2项、专利优秀奖2项，北京市科学技术三等奖1项，等. 是全国石油和化工行业优秀科技工作者，Wiley杰出作者。

洪崧，男，北京化工大学材料科学与工程学院副研究员，分析测试中心电镜室主任。主要从事针对多相复合材料和杂化材料的电子显微方法学的开发和应用研究。