随着大气污染与微生物传播风险加剧，开发环境友好、可降解的高性能空气过滤材料成为关键。传统石油基聚合物膜存在不可降解、生产污染重的问题，而生物基材料在功能化改性时因界面作用易破坏纤维结构，难以平衡过滤性能与抗菌功能，同时生物基溶液稳定性差、传统电纺工艺产能低也限制了其应用。
近日，厦门大学郑高峰教授与福州大学邵尊桂副研究员合作，在《Carbohydrate Polymers》，发表了题为“Green and efficient electrospinning of ethyl cellulose-based nanofibrous membrane for high-performance and antibacterial air filtration”的研究成果。本研究依托 “最小影响策略”，精准调控乙基纤维素（EC）、魔芋葡甘聚糖（KGM）与姜黄素（Cur）间的分子间作用力，通过抑制氢键形成对EC溶液中聚合物链拉伸差异的干扰，最大程度保留双峰纤维结构，所制备的 EC/KGM/Cur 膜凭借细纤维的高效过滤能力与粗纤维的低阻气流通道，结合KGM/Cur的协同抗菌机制，实现了空气过滤性能与抗菌功能的双重突破。
图1：保持双峰纤维特性的最小影响策略以及EC/KGM/Cur性能展示。
本研究以乙基纤维素（EC）双峰纤维结构的功能化改性为切入点。通过分子结构对比分析、傅里叶红外光谱（FTIR）、溶液电导率和黏度测试证明了魔芋葡甘聚糖（KGM）和姜黄素（Cur）作为改性成分，相较于白藜芦醇（RV），二者与EC的氢键作用较弱，可最大限度保留双峰纤维结构（R值为2.90）。
图2：不同功能材料对EC的影响及与玉米蛋白（zein）对比。
图3：不同类型纤维膜的XRD、FTIR、DTG、应力应变测试、水接触角测试结果。
通过X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）证明了复合膜的结构相容性、功能成分成功负载及热稳定性优势。应力应变测试和水接触角的结果表明，相较于常用的生物基zein，EC基膜机械强度更高、疏水性更强。
图4：不同纤维膜的空气过滤性能、透气性能和EC/KGM/Cur的过滤机制。
单根细纤维通过布朗扩散等作用捕捉超细颗粒，密集细纤维层虽提升过滤效率但会显著增加气流阻力，而双峰结构中粗细纤维交叉分布，既能通过细纤维高效捕集颗粒，又可利用粗纤维形成气流通道降低整体压降，实现过滤效率与阻力的优化平衡。EC/KGM/Cur 纳米纤维膜凭借双峰纤维结构，在空气过滤中表现出优异性能：对0.3 μm NaCl 颗粒过滤效率为99.61%，压降54.9 Pa，品质因数为0.1010 Pa⁻¹。水洗5次后仍保持99.25% 效率，且透气性优于N95口罩。
图5：不同纤维膜的抗菌能力对比
在KGM和Cur的协同效应下，纤维膜的抗菌能力显著提升，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑制率超过99.6%。采用鞘气辅助多喷嘴电纺系统，8喷嘴阵列使产能从单喷嘴的0.055g/h提升至 0.81g/h（提高14.73倍），生产使用乙醇/水混合溶剂，无有毒试剂排放，且纺丝液可稳定储存24小时不凝胶，突破生物基材料工业化生产瓶颈。
图6：纤维膜的批量生产制造
这项研究不仅突破了生物基材料在空气过滤领域的性能瓶颈，更构建了“绿色材料—高效工艺—循环经济”的完整链条。通过最小影响策略与鞘气辅助规模化生产的结合，团队为环保型空气过滤材料开辟了新方向。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123893
人物简介：
郑高峰（通讯作者）：
厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院教授、博士研究生导师，科学仪器所所长；仪器与电气系副主任。
主要从事微纳喷印、智能检测传感、柔性电子集成等领域的研究工作。
福建省杰出青年基金获得者，福建省高层次人才，厦门市“双百计划”领军型创业人才；作为第一完成人获福建省科技进步奖二等奖、厦门市科技进步奖二等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖各1项。发表 SCI、EI收录学术论文160余篇，作为第一发明人获授权发明专利40余件，实用新型专利30余件，出版专著1本，参与撰写著作专章3篇。主持有国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、福建省产学研究重点项目、福建省自然科学基金等纵向课题30余项。
近年来，郑高峰教授团队及其合作者已围绕电纺高性能空气过滤膜发表了一系列创新研究并整理综述2篇，涵盖了高性能空气过滤机制研究、纤维膜的双峰结构调控、生物基材料适配策略开发等方面，致力于推进高性能空气过滤膜的绿色制造：
1、电纺射流劈裂增强响应策略及其高性能抗菌空气过滤应用
ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(16): 18989-19001. doi.org/10.1021/acsami.2c04700
2、高性能、多功能电纺空气过滤膜与高性能空气过滤机制综述
Separation and Purification Technology, 2022, 302: 122175.
doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122175
3、双峰纤维膜的表征与低电导率制备方法
Materials Today Communications, 2023, 34: 105014.
doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.105014
4、液态小分子与醋酸纤维素的适配策略及其高性能抗菌驱蚊空气过滤应用
Separation and Purification Technology, 2023, 327: 124920.
doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124920
5、延缓挥发策略实现玉米醇溶蛋白纳米纤维膜高效成型及其高性能空气过滤应用
ACS Applied Polymer Materials, 2023, 5(10): 8559-8569.
doi.org/10.1021/acsapm.3c01666
6、射流劈裂与不均匀拉伸协同的乙基纤维素双峰纤维成型策略及其高性能抗菌除醛空气过滤应用
International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 254: 127862.
doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.127862
7、固态小分子分散性优化条件下乙基纤维素双峰纤维膜成型策略及其高性能抗菌空气过滤应用
Science of the Total Environment, 2024, 909: 168654.
10.1016/j.scitotenv.2023.168654
8、基于固态小分子“柔化-牵引”机制的玉米醇溶蛋白射流劈裂增强策略及其高性能抗菌空气过滤应用
Separation and Purification Technology, 2024, 341: 126893.
10.1016/j.seppur.2024.126893
9、基于溶剂不均匀入侵机制实现乙基纤维素双峰纤维膜在射流不均匀拉伸情况下的成型及其高性能空气过滤应用
International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 275: 133411.
10.1016/j.ijbiomac.2024.133411
10、电纺双峰纤维膜的成型策略与空气过滤应用综述
Separation and Purification Technology, 2025, 358: 130417.
10.1016/j.seppur.2024.130417
11、基于小分子互助机制实现全生物基双峰纤维膜在射流协同拉伸下的成型及其高效抗菌空气过滤应用
Journal of Cleaner Production, 2024, 486: 144562.
10.1016/j.jclepro.2024.144562
邵尊桂（通讯作者）：
福州大学机械工程及自动化学院副研究员，工学博士。以第一/共一/通讯作者在ACS Applied Materials & Interfaces, Separation and Purification Technology, Science of the Total Environment等期刊发表SCI论文16篇，主要从事聚合物材料电纺成纤过程调控及其过滤、医疗、储能等领域应用。获中国发明协会发明创业奖创新奖1项。
