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武漢紡織大學徐衛林/劉欣/呂佩 AFM：具有超強自持表面靜電力的抗菌聚酰亞胺纖維氈實現高效空氣過濾

2024-03-06 來源：高分子科技

在常溫環境下細菌、病毒或有毒物質以超細顆粒物如PM_0.3為載體廣泛傳播，危害公眾健康；此外，工業高溫廢氣對環境造成嚴重污染。為了人民的健康和環境的優化，亟需構建可同時應用在含有細菌的常溫源和高溫源的過濾膜。目前大多數過濾膜存在過濾耐久性差、產業化進程慢等技術瓶頸。針對上述問題，武漢紡織大學徐衛林院士團隊采用離心紡絲技術在不需要外加電場的情況下，使得聚酰亞胺在紡絲過程中自發地獲得極化分子結構，并在所形成的纖維氈表面產生超強自持靜電力，并通過原位生長銀納米粒子賦予其抗菌性能，實現了抗菌及長效過濾，同時這項技術也實現了過濾膜的宏量制備。相關工作以“Heat-Resistant Air Filters Based on Self-Sustained Electrostatic and Antibacterial Polyimide/Silver Fiber Mats”發表在《Advanced Functional Materials》。論文的共同第一作者為武漢紡織大學呂佩博士和武漢紡織大學2023級碩士研究生居鄭，徐衛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靜電效應

這項研究工作中聚酰亞胺纖維氈表面超強自持靜電力的產生主要歸因于宏觀摩擦與微觀偶極子極化。在離心紡絲過程中，纖維與空氣之間以及纖維與纖維之間產生摩擦，形成了強靜電場，該靜電場引發了聚酰亞胺分子的極化，從而進一步加強了靜電場。由于聚酰亞胺具有較高的絕緣性和優良的介電性能，其靜電損耗小，減緩了表面靜電力的消散。通過與鑄膜法所得到聚酰亞胺薄膜進行對比，結果表明該超強靜電力僅表現在離心紡絲纖維氈表面。進一步通過分子模擬證實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，與兩者的熱穩定性高低一致。此外，離心紡絲纖維氈的絕對極性參數高于鑄膜薄膜，進一步證實了離心紡絲過程誘發聚酰亞胺分子極化，使得分子極性增強。

圖2. 聚酰亞胺及其銀納米粒子復合纖維氈的形貌和物化性質分析

通過對聚酰亞胺及其銀納米粒子復合后的纖維氈形貌和物化性質進行分析，表明原位生長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，聚酰亞胺/銀納米粒子纖維氈(PI/Ag)的重量損失不超過5%；耐熱性測試表明，PI/Ag經280 ℃長時間熱處理后纖維仍可保持連續形態，且纖維直徑沒有發生明顯變化。PI/Ag的優異熱穩定性使得基于該材料的空氣過濾器能夠在200-300 °C 的環境溫度下長期使用。

圖3. 聚酰亞胺/銀納米粒子纖維氈的空氣過濾性能測試

PI/Ag過濾性能測試結果表明厚度為260 μm的纖維氈PM_0.3的過濾效率為99.1%，厚度為180 μm的纖維氈PM_0.3的過濾效率為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的過濾效率為58.5%。超高表面靜電壓和離心紡絲構筑的3D網絡結構協同增強了PI/Ag的空氣過濾效率。330天后PI/Ag的表面靜電壓仍維持在-700 V以上，進一步經280 ℃高溫處理1 h后，其對PM_0.3的過濾效率保持在91.3%以上。因此PI/Ag可在高溫環境下保證低壓降的同時，實現長效過濾。抗菌測試表明，PI/Ag對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現出明顯的抗菌性。因此，本研究所制備的PI/Ag既可用于室溫細菌源空氣過濾，也可用于工業高溫源煙氣過濾。

總結：作者采用離心紡絲技術制備了具有超強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具備較高PM_0.3過濾效率。這項工作為大規模、連續化制備多功能高效空氣過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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（責任編輯：xu）

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