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  最近幾年，中國的空氣污染令人觸目驚心，由此造成的直接經濟損失數以億計。更為可怕的是，空氣中PM2.5、PM10以及其它有害微粒對人體造成的危害，可能在未來數年內才會逐漸顯現。可以預計，在未來幾年中國人口中呼吸道相關的疾病會顯著上升。更為嚴重的是，空氣中的微粒越小，越容易成為重金屬和有機物的載體，對人體造成傷害越大。目前為止，市面上的空氣過濾產品大多是針對空氣中的微米級顆粒進行攔截。由于制備濾膜技術所限，對納米級顆粒的過濾還是一個難題。如何進一步改變濾膜纖維表面的粗糙度，提高纖維比表面積，使其可以捕獲空氣中的納米級顆粒是目前的研究重點。

  靜電紡絲工藝可以連續地制備聚合物亞微米/納米纖維，由此得到的纖維膜具有高孔隙率、小孔徑和大比表面積。因此靜電紡絲纖維及相關產品在空氣過濾方面得到了極大關注。但是一般情況下靜電紡絲纖維都是表面光滑的實心纖維。為了進一步提高纖維表面積，很多研究通過提高靜電紡絲環境濕度，在納米纖維表面形成很多的凹坑；或者溶解除去復合纖維中的某一種組分，從而在纖維中留下一些孔洞。雖然通過這些方法得到的纖維孔結構在一定程度上提高了表面積，但是效果并不是很顯著。

  為了進一步提高納米纖維的表面積，英國曼徹斯特大學材料系李加深博士團隊開發了靜電紡絲-后處理兩步法策略，制備真正意義上的多孔纖維。

  首先，使用二氯甲烷(DCM) /二甲基甲酰胺(DMF) 這一溶劑/非溶劑體系對聚乳酸進行靜電紡絲。通過優化各項參數，控制纖維中聚乳酸分子處于一個較低的結晶度水平。然后，使用丙酮在室溫下對聚乳酸纖維進行浸泡處理，丙酮適度溶脹聚乳酸纖維并誘導高分子鏈進行充分結晶，同時由于晶區之間內應力的作用，在纖維內部形成幾納米到幾百納米不等的孔隙。

  和實心纖維相比，所得到的完全鏤空納米纖維具有超高比表面積，在纖維表面形成無數納米級的“觸手”和“陷阱”，對空氣中的納米級顆粒的捕獲效率大大提高。

圖1. 靜電紡絲聚乳酸纖維在丙酮處理前（左）和處理后（后）的電鏡照片。

  和傳統靜電紡纖維膜比較，經過后處理的膜材料，具有更高的比表面積（75 m²/g）和較高的楊氏模量（0.21 GPa）。基于一系列材料學表征結果，李加深博士對于溶劑/非溶劑/聚合物三相的紡絲液體系和丙酮后處理工藝，分別提出了溶劑誘導相分離以及溶劑誘導重結晶的機理解釋。

圖2. 多孔纖維的制備機理

  李加深博士團隊還積極開發基于該多層級多孔纖維膜材料的應用。聚乳酸作為可在自然界和人體內降解的環保綠色無污染材料，具有廣泛的市場應用前景。目前，團隊已報道將該膜材料用于攔截空氣中極細（30-100 nm）氣溶膠顆粒污染物的研究結果。

圖3. 多孔膜材料對30、50、100納米氣溶膠顆粒的攔截效率、空氣阻力（壓降）以及過濾效果的品質因數。

  以上科研成果近期在ACS applied materials & interfaces上發表。共同第一作者分別為曼徹斯特大學博士生宋鋆和利物浦大學博士生張博聞，唯一通訊作者為曼徹斯特大學李加深博士。

  李加深博士歡迎國內外科研院所及企業進行學術或產業化洽談。

  詳細內容見論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.9b18083