英国曼彻斯特大学李加深博士团队成功开发超高比表面积镂空聚乳酸纳米纤维并探索其在空气过滤领域的应用

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最近几年，中国的空气污染令人触目惊心，由此造成的直接经济损失数以亿计。更为可怕的是，空气中PM2.5、PM10以及其它有害微粒对人体造成的危害，可能在未来数年内才会逐渐显现。可以预计，在未来几年中国人口中呼吸道相关的疾病会显著上升。更为严重的是，空气中的微粒越小，越容易成为重金属和有机物的载体，对人体造成伤害越大。目前为止，市面上的空气过滤产品大多是针对空气中的微米级颗粒进行拦截。由于制备滤膜技术所限，对纳米级颗粒的过滤还是一个难题。如何进一步改变滤膜纤维表面的粗糙度，提高纤维比表面积，使其可以捕获空气中的纳米级颗粒是目前的研究重点。

静电纺丝工艺可以连续地制备聚合物亚微米/纳米纤维，由此得到的纤维膜具有高孔隙率、小孔径和大比表面积。因此静电纺丝纤维及相关产品在空气过滤方面得到了极大关注。但是一般情况下静电纺丝纤维都是表面光滑的实心纤维。为了进一步提高纤维表面积，很多研究通过提高静电纺丝环境湿度，在纳米纤维表面形成很多的凹坑；或者溶解除去复合纤维中的某一种组分，从而在纤维中留下一些孔洞。虽然通过这些方法得到的纤维孔结构在一定程度上提高了表面积，但是效果并不是很显著。

为了进一步提高纳米纤维的表面积，英国曼彻斯特大学材料系李加深博士团队开发了静电纺丝-后处理两步法策略，制备真正意义上的多孔纤维。

首先，使用二氯甲烷(DCM) /二甲基甲酰胺(DMF) 这一溶剂/非溶剂体系对聚乳酸进行静电纺丝。通过优化各项参数，控制纤维中聚乳酸分子处于一个较低的结晶度水平。然后，使用丙酮在室温下对聚乳酸纤维进行浸泡处理，丙酮适度溶胀聚乳酸纤维并诱导高分子链进行充分结晶，同时由于晶区之间内应力的作用，在纤维内部形成几纳米到几百纳米不等的孔隙。

和实心纤维相比，所得到的完全镂空纳米纤维具有超高比表面积，在纤维表面形成无数纳米级的“触手”和“陷阱”，对空气中的纳米级颗粒的捕获效率大大提高。

图1. 静电纺丝聚乳酸纤维在丙酮处理前（左）和处理后（后）的电镜照片。

和传统静电纺纤维膜比较，经过后处理的膜材料，具有更高的比表面积（75 m²/g）和较高的杨氏模量（0.21 GPa）。基于一系列材料学表征结果，李加深博士对于溶剂/非溶剂/聚合物三相的纺丝液体系和丙酮后处理工艺，分别提出了溶剂诱导相分离以及溶剂诱导重结晶的机理解释。

图2. 多孔纤维的制备机理

李加深博士团队还积极开发基于该多层级多孔纤维膜材料的应用。聚乳酸作为可在自然界和人体内降解的环保绿色无污染材料，具有广泛的市场应用前景。目前，团队已报道将该膜材料用于拦截空气中极细（30-100 nm）气溶胶颗粒污染物的研究结果。

图3. 多孔膜材料对30、50、100纳米气溶胶颗粒的拦截效率、空气阻力（压降）以及过滤效果的品质因数。

以上科研成果近期在ACS applied materials & interfaces上发表。共同第一作者分别为曼彻斯特大学博士生宋鋆和利物浦大学博士生张博闻，唯一通讯作者为曼彻斯特大学李加深博士。

李加深博士欢迎国内外科研院所及企业进行学术或产业化洽谈。

详细内容见论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.9b18083

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