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武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林/劉欣/呂佩 AFM：具有超強(qiáng)自持表面靜電力的抗菌聚酰亞胺纖維氈實(shí)現(xiàn)高效空氣過(guò)濾

2024-03-06 來(lái)源：高分子科技

在常溫環(huán)境下細(xì)菌、病毒或有毒物質(zhì)以超細(xì)顆粒物如PM_0.3為載體廣泛傳播，危害公眾健康；此外，工業(yè)高溫廢氣對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。為了人民的健康和環(huán)境的優(yōu)化，亟需構(gòu)建可同時(shí)應(yīng)用在含有細(xì)菌的常溫源和高溫源的過(guò)濾膜。目前大多數(shù)過(guò)濾膜存在過(guò)濾耐久性差、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程慢等技術(shù)瓶頸。針對(duì)上述問(wèn)題，武漢紡織大學(xué)徐衛(wèi)林院士團(tuán)隊(duì)采用離心紡絲技術(shù)在不需要外加電場(chǎng)的情況下，使得聚酰亞胺在紡絲過(guò)程中自發(fā)地獲得極化分子結(jié)構(gòu)，并在所形成的纖維氈表面產(chǎn)生超強(qiáng)自持靜電力，并通過(guò)原位生長(zhǎng)銀納米粒子賦予其抗菌性能，實(shí)現(xiàn)了抗菌及長(zhǎng)效過(guò)濾，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了過(guò)濾膜的宏量制備。相關(guān)工作以“Heat-Resistant Air Filters Based on Self-Sustained Electrostatic and Antibacterial Polyimide/Silver Fiber Mats”發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。論文的共同第一作者為武漢紡織大學(xué)呂佩博士和武漢紡織大學(xué)2023級(jí)碩士研究生居鄭，徐衛(wèi)林院士與劉欣教授為論文的共同通訊作者。

圖1. 基于離心紡絲聚酰亞胺/銀納米粒子纖維氈的制備及其強(qiáng)靜電效應(yīng)

這項(xiàng)研究工作中聚酰亞胺纖維氈表面超強(qiáng)自持靜電力的產(chǎn)生主要?dú)w因于宏觀摩擦與微觀偶極子極化。在離心紡絲過(guò)程中，纖維與空氣之間以及纖維與纖維之間產(chǎn)生摩擦，形成了強(qiáng)靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)引發(fā)了聚酰亞胺分子的極化，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了靜電場(chǎng)。由于聚酰亞胺具有較高的絕緣性和優(yōu)良的介電性能，其靜電損耗小，減緩了表面靜電力的消散。通過(guò)與鑄膜法所得到聚酰亞胺薄膜進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該超強(qiáng)靜電力僅表現(xiàn)在離心紡絲纖維氈表面。進(jìn)一步通過(guò)分子模擬證實(shí)了離心紡絲法和鑄膜法所得到了聚酰亞胺分子極化程度不同。模擬可得離心紡絲纖維氈和鑄膜薄膜的氫鍵鍵能分別為28.54 kJ/mol和19.50 kJ/mol，與兩者的熱穩(wěn)定性高低一致。此外，離心紡絲纖維氈的絕對(duì)極性參數(shù)高于鑄膜薄膜，進(jìn)一步證實(shí)了離心紡絲過(guò)程誘發(fā)聚酰亞胺分子極化，使得分子極性增強(qiáng)。

圖2. 聚酰亞胺及其銀納米粒子復(fù)合纖維氈的形貌和物化性質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)聚酰亞胺及其銀納米粒子復(fù)合后的纖維氈形貌和物化性質(zhì)進(jìn)行分析，表明原位生長(zhǎng)法可成功將銀納米粒子附著在聚酰亞胺纖維氈上。在30-350 °C熱解溫度范圍內(nèi)，聚酰亞胺/銀納米粒子纖維氈(PI/Ag)的重量損失不超過(guò)5%；耐熱性測(cè)試表明，PI/Ag經(jīng)280 ℃長(zhǎng)時(shí)間熱處理后纖維仍可保持連續(xù)形態(tài)，且纖維直徑?jīng)]有發(fā)生明顯變化。PI/Ag的優(yōu)異熱穩(wěn)定性使得基于該材料的空氣過(guò)濾器能夠在200-300 °C 的環(huán)境溫度下長(zhǎng)期使用。

圖3. 聚酰亞胺/銀納米粒子纖維氈的空氣過(guò)濾性能測(cè)試

PI/Ag過(guò)濾性能測(cè)試結(jié)果表明厚度為260 μm的纖維氈PM_0.3的過(guò)濾效率為99.1%，厚度為180 μm的纖維氈PM_0.3的過(guò)濾效率為98.1%，壓降低至73.67 Pa，平均表面靜電壓為-713 V。而商用聚酰亞胺纖維氈表面靜電壓僅為-10 V, PM_0.3的過(guò)濾效率為58.5%。超高表面靜電壓和離心紡絲構(gòu)筑的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)協(xié)同增強(qiáng)了PI/Ag的空氣過(guò)濾效率。330天后PI/Ag的表面靜電壓仍維持在-700 V以上，進(jìn)一步經(jīng)280 ℃高溫處理1 h后，其對(duì)PM_0.3的過(guò)濾效率保持在91.3%以上。因此PI/Ag可在高溫環(huán)境下保證低壓降的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效過(guò)濾。抗菌測(cè)試表明，PI/Ag對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現(xiàn)出明顯的抗菌性。因此，本研究所制備的PI/Ag既可用于室溫細(xì)菌源空氣過(guò)濾，也可用于工業(yè)高溫源煙氣過(guò)濾。

總結(jié)：作者采用離心紡絲技術(shù)制備了具有超強(qiáng)自持靜電力的分子極化聚酰亞胺纖維，并在其表面原位生長(zhǎng)銀納米粒子賦予其抗菌特性。由于自持靜電力的作用，該抗菌耐高溫纖維氈在保證低壓降的同時(shí)具備較高PM_0.3過(guò)濾效率。這項(xiàng)工作為大規(guī)模、連續(xù)化制備多功能高效空氣過(guò)濾纖維材料提供了新思路。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400685

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（責(zé)任編輯：xu）

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