20190419   周五

玉米醇溶蛋白纳米纤维的形貌控制及其空气净化性能的研究

Journal of Materials Chemistry A (IF:9.931，1区)  

范鑫（华中农业大学）

研究背景

随着全球经济的高速发展，部分地区（特别是发展中国家人口密集地区）的空气质量急剧恶化，不断出现的空气污染问题不仅严重影响生产生活，更给民众的身体健康带来威胁。源头治理和终端净化成为我国治理空气污染的主要手段，空气净化材料凭借其过滤效率高、见效快、易于实现、成本低等优势成为解决空气污染问题的有效途径。纳米技术的兴起推动了纳米材料的快速发展，其中天然食品高分子如蛋白质、纤维素等因具备良好的生物相容性、易修饰、来源广泛、价格低廉等特性而成为制备纳米材料的热门基材，广泛地应用于能源、电池、医药、环境等领域，也为空气净化材料领域的发展提供了新的方向。本文通过复合溶剂（丙酮-正丁醇-水）溶解玉米醇溶蛋白（Zein）后得到亚稳态zein溶液，以该溶液作为纺丝液，首次通过静电纺丝技术制备出一种疏松的带状的纳米纤维膜，作为空气净化膜应用时，其兼具高清除效率、低空气阻力、高有效物质载量等特性，解决了目前静电纺纳米纤维膜过于致密而导致的空气阻力大、使用寿命短等问题。

研究方法

图a所示为棒状纤维膜的制备图及空气净化机理图，该方法为目前通过静电纺丝技术制备空气过滤材料的常用方法，为本文的对照样品。稳态zein溶液通过静电纺丝得到直的、棒状的纳米纤维，纤维堆积后形成致密的棒状纤维膜。图b为带状纤维膜的制备图和空气净化机理图，亚稳态zein溶液通过静电纺丝技术得到自卷曲的、带状的纳米纤维，纤维堆积后形成疏松的纤维膜。

研究结果

图a-f为稳态zein溶液通过静电纺丝所得纤维形貌图。从图中可知，稳态zein溶液经静电纺丝所得纤维为纳米级的直的棒状纤维。纳米级的棒状纤维在强电场力的作用下，紧密的堆积于平板接收器的表面，因此形成了致密的棒状纤维膜，纳米纤维之间形成几百纳米到几微米的孔结构。纳米尺寸的棒状纤维和微孔结构虽然有利于提高空气过滤材料的过滤效率，但是也大大增加了空气阻力，不利于空气流通，难以同时满足高率效率和低空气阻力这两个要求，这也是目前静电纺纳米纤维膜应用于空气过滤领域的瓶颈问题。

图g-l为亚稳态zein溶液通过静电纺丝所得纤维形貌图。从图中可知，亚稳态zein溶液经静电纺丝所得纤维为自卷曲的带状纤维。带状纤维由于其独特的自卷曲的纤维形貌，使纤维丝之间存在大量的孔结构，这些孔结构使纤维膜呈现如同棉花糖一般的疏松结构。带状纤维的过滤机理除了棒状纤维膜所具有的多官能团和高比表面能之外，还具有“拦截效应”（Blocking effect）。拦截效应的作用机理为当小的空气污染物颗粒以一定动能撞击至带状纤维表面时，由于带状大的表面积和蛋白官能团的双重作用，使污染物颗粒的动能不断减小，最终被吸附于带状纤维的表面，从而提高了带状纤维膜的过滤效率。而上文所提到的传统棒状纤维，当小颗粒污染物以一定的动能撞击棒状纤维时，由于纤维丝细的棒状结构和污染物颗粒大的动能，会导致污染物颗粒的逃逸几率增加，从而其过滤效率低于带状纤维。与此同时，由于带状纤维的自卷曲结构，赋予纤维膜疏松的结构，有利于空气的流通，从而同时满足了高过滤效率、低空气阻力、高有效物质载量等要求，解决了目前静电纺纳米纤维膜过于致密而导致的空气阻力大、使用寿命短等问题。

研究结论

带状纤维膜与棒状纤维膜、某商用口罩相比，其对PM、HCHO和CO的过滤效率最高，对小颗粒污染物PM0.3的过滤效率可达99.9 %以上，对HCHO和CO的清除效率分别约为81 %和38 %。于此同时，由于带状纤维的自卷曲形貌，使其空气阻力很低，例如当样品的面密度为12 g/m2时，带状纤维膜的空气阻力仅为99 Pa，而棒状纤维膜的空气阻力约为1270 Pa，某商用口罩的空气阻力为240 Pa。此外，其使用寿命长，当过滤1500 L、PM1.0-2.5的浓度为400 mg/m3空气后，对PM1.0-2.5的过滤效率仍能达到99.4 %，优于棒状纤维膜。带状纤维膜的稳定性也高于带状纤维，带状纤维膜过滤后的空气阻力并无显著变化。本文的意义不仅仅在于制备出一种高效的蛋白基空气净化膜，同时还为通过静电纺丝制备新型微纳结构的纳米纤维膜提供了新思路。