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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)高效空氣過濾
2024-03-06  來源：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PM0.3為載體廣泛傳播，危害公眾健康；此外，工業(yè)高溫廢氣對環(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濾膜。目前大多數(shù)過濾膜存在過濾耐久性差、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程慢等技術(shù)瓶頸。針對上述問題，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)在不需要外加電場的情況下，使得聚酰亞胺在紡絲過程中自發(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，并通過原位生長銀納米粒子賦予其抗菌性能，實(shí)現(xiàn)了抗菌及長效過濾，同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了過濾膜的宏量制備。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，該靜電場引發(fā)了聚酰亞胺分子的極化，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了靜電場。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。通過與鑄膜法所得到聚酰亞胺薄膜進(jìn)行對比，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極性參數(shù)高于鑄膜薄膜，進(jìn)一步證實(shí)了離心紡絲過程誘發(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


  通過對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5%；耐熱性測試表明，PI/Ag經(jīng)280 ℃長時(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濾器能夠在200-300 °C 的環(huán)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(jié)果表明厚度為260 μm的纖維氈PM0.3的過濾效率為99.1%，厚度為180 μm的纖維氈PM0.3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, PM0.3的過濾效率為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PM0.3的過濾效率保持在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(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)菌源空氣過濾，也可用于工業(yè)高溫源煙氣過濾。


  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PM0.3過濾效率。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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