武汉纺织大学徐卫林/刘欣/吕佩 AFM：具有超强自持表面静电力的抗菌聚酰亚胺纤维毡实现高效空气过滤

2024-03-06 来源：高分子科技

在常温环境下细菌、病毒或有毒物质以超细颗粒物如PM_0.3为载体广泛传播，危害公众健康；此外，工业高温废气对环境造成严重污染。为了人民的健康和环境的优化，亟需构建可同时应用在含有细菌的常温源和高温源的过滤膜。目前大多数过滤膜存在过滤耐久性差、产业化进程慢等技术瓶颈。针对上述问题，武汉纺织大学徐卫林院士团队采用离心纺丝技术在不需要外加电场的情况下，使得聚酰亚胺在纺丝过程中自发地获得极化分子结构，并在所形成的纤维毡表面产生超强自持静电力，并通过原位生长银纳米粒子赋予其抗菌性能，实现了抗菌及长效过滤，同时这项技术也实现了过滤膜的宏量制备。相关工作以“Heat-Resistant Air Filters Based on Self-Sustained Electrostatic and Antibacterial Polyimide/Silver Fiber Mats”发表在《Advanced Functional Materials》。论文的共同第一作者为武汉纺织大学吕佩博士和武汉纺织大学2023级硕士研究生居郑，徐卫林院士与刘欣教授为论文的共同通讯作者。

图1. 基于离心纺丝聚酰亚胺/银纳米粒子纤维毡的制备及其强静电效应

这项研究工作中聚酰亚胺纤维毡表面超强自持静电力的产生主要归因于宏观摩擦与微观偶极子极化。在离心纺丝过程中，纤维与空气之间以及纤维与纤维之间产生摩擦，形成了强静电场，该静电场引发了聚酰亚胺分子的极化，从而进一步加强了静电场。由于聚酰亚胺具有较高的绝缘性和优良的介电性能，其静电损耗小，减缓了表面静电力的消散。通过与铸膜法所得到聚酰亚胺薄膜进行对比，结果表明该超强静电力仅表现在离心纺丝纤维毡表面。进一步通过分子模拟证实了离心纺丝法和铸膜法所得到了聚酰亚胺分子极化程度不同。模拟可得离心纺丝纤维毡和铸膜薄膜的氢键键能分别为28.54 kJ/mol和19.50 kJ/mol，与两者的热稳定性高低一致。此外，离心纺丝纤维毡的绝对极性参数高于铸膜薄膜，进一步证实了离心纺丝过程诱发聚酰亚胺分子极化，使得分子极性增强。

图2. 聚酰亚胺及其银纳米粒子复合纤维毡的形貌和物化性质分析

通过对聚酰亚胺及其银纳米粒子复合后的纤维毡形貌和物化性质进行分析，表明原位生长法可成功将银纳米粒子附着在聚酰亚胺纤维毡上。在30-350 °C热解温度范围内，聚酰亚胺/银纳米粒子纤维毡(PI/Ag)的重量损失不超过5%；耐热性测试表明，PI/Ag经280 ℃长时间热处理后纤维仍可保持连续形态，且纤维直径没有发生明显变化。PI/Ag的优异热稳定性使得基于该材料的空气过滤器能够在200-300 °C 的环境温度下长期使用。

图3. 聚酰亚胺/银纳米粒子纤维毡的空气过滤性能测试

PI/Ag过滤性能测试结果表明厚度为260 μm的纤维毡PM_0.3的过滤效率为99.1%，厚度为180 μm的纤维毡PM_0.3的过滤效率为98.1%，压降低至73.67 Pa，平均表面静电压为-713 V。而商用聚酰亚胺纤维毡表面静电压仅为-10 V, PM_0.3的过滤效率为58.5%。超高表面静电压和离心纺丝构筑的3D网络结构协同增强了PI/Ag的空气过滤效率。330天后PI/Ag的表面静电压仍维持在-700 V以上，进一步经280 ℃高温处理1 h后，其对PM_0.3的过滤效率保持在91.3%以上。因此PI/Ag可在高温环境下保证低压降的同时，实现长效过滤。抗菌测试表明，PI/Ag对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出明显的抗菌性。因此，本研究所制备的PI/Ag既可用于室温细菌源空气过滤，也可用于工业高温源烟气过滤。

总结：作者采用离心纺丝技术制备了具有超强自持静电力的分子极化聚酰亚胺纤维，并在其表面原位生长银纳米粒子赋予其抗菌特性。由于自持静电力的作用，该抗菌耐高温纤维毡在保证低压降的同时具备较高PM_0.3过滤效率。这项工作为大规模、连续化制备多功能高效空气过滤纤维材料提供了新思路。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202400685

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（责任编辑：xu）

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