摘要：颗粒物 (PM)，特别是油性气溶胶，已成为影响空气质量和人体健康的主要问题。为解决这一问题，纳米纤维基空气净化材料因其独特的结构优点成为研究热点，如可调孔径、高孔隙率、可定制的结构、成分和化学表面。然而，靠物理堆叠的纳米纤维膜的结构和机械稳定性不足，严重限制了
中原工学院周伟涛、杜姗副教授：具有互穿网络结构的自支撑、坚韧、超连通纳米纤维杂化膜用于油性气凝胶净化
颗粒物 (PM)，特别是油性气溶胶，已成为影响空气质量和人体健康的主要问题。为解决这一问题，纳米纤维基空气净化材料因其独特的结构优点成为研究热点，如可调孔径、高孔隙率、可定制的结构、成分和化学表面。然而，靠物理堆叠的纳米纤维膜的结构和机械稳定性不足，严重限制了其在高性能过滤领域的应用。实现理想结构稳定性和超连通网络纳米纤维膜的关键在于调控纳米纤维间相互作用。纺粘工艺中形成的三维互锁结构为自支撑、坚韧、超连通纳米纤维膜的设计及高效低阻空气净化提供指导。
图1：互穿网络结构纳米纤维杂化膜的设计、制备、特性及应用示意图
近日，中原工学院周伟涛、杜姗副教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Free-stranding, robust, hyperconnective hybrid nanofiber nonwovens enabled by interpenetrating network for oily aerosols purification”。研究者通过一步法静电纺丝和双交联技术，制备出自支撑、坚韧、超连通的具有双交联互穿网络结构的聚酯(PET)/醋酸纤维素(CA)杂化膜（IPNN）。与物理堆积成的纳米纤维杂化膜相比，纤维间增加大量固结点形成互穿网络结构，提高其机械及结构稳定性，同时，有效地保留其固有的多孔性及超连通性，利于对油性气凝胶的捕获。
与物理堆叠纳米纤维不同，IPNN的纤维形态较好地保留，其平均直径为0.39±0.04μm，这归因于加热引起的固结点形状变化可以忽略。相应截面SEM图像也显示所得纳米纤维膜的超连接性、高蓬松度和孔隙率等特性得到了有效保留。更有趣的是，任意分布的固结点与蜘蛛捕获丝的几何结构惊人地相似，且显示特殊的润湿性，这将利于油性气溶胶的高效捕获。 并且，IPNN表现出自支撑稳健性和特殊的润湿性以及超亲油和疏水的表面。其可承受极端重量（500克）10小时而不会遭受任何物理损坏，这表明它们具有卓越的机械性能。由该膜制成的风车在风中快速旋转，表明其轻便且稳定性高。以上独特的性能对其实际应用非常重要。
图2：所制纳米纤维膜的形貌、结构及性能
与未处理的PET/CA膜相比，IPNN展示出非凡的力学性能，拉伸强度达28.01MPa，伸长率达57.98%。IPNN可能的加载过程和断裂机制如图3所示。IPNN中固结点以及它们之间的纤维段形成相对稳定的三角形结构，进一步延伸形成互穿网络，从而使处理后的纳米纤维非织造布变得坚硬而坚固。随着载荷的增加，三角形结构发生最小的变形，由于IPN的协同作用，导致复杂的屈服现象。纤维段被拉直以与应力方向对齐，逐渐使网络变平。同时，伸长率达到57%，显示出优异的弹性。由于拉直的纳米纤维的有序排列，强度稳定且线性增加。此外，经过100次的折叠和摩擦互穿纳米纤维膜未造成结构损伤和断裂，表现出出色的耐折性和耐磨性。这些结果共同凸显了IPNN卓越的结构稳定性，使其适合实际应用。
EDS中显示明显的N和P元素的峰，表明了APA被均匀接枝在IPNN上。FTIR中-O-P-O-、P=O及GMA的特征峰也证明了APA的高效接枝。此外，973 cm-1处的峰归因于EG连接的反式异构体，而794cm-1处的峰是用于标准化不同基材厚度的内部厚度带。该比率的增加可能是紫外辐照/热空气处理过程中结晶度变化和取向增强效应的结果，这可能有助于机械和结构稳定性。TG曲线显示热稳定性略有下降，但是能满足实际过滤应用。IPNN的45°倾斜燃烧过程如图4所示。当暴露在火焰上方时，其表现出耐高温性，使其接触火焰后，先表现出收缩现象，后开始燃烧，离开火焰后立即熄灭，证明其具有良好的阻燃性。
图4：所制纳米纤维膜的结构表征及热物理性能
IPNN的润湿性、膜特性和油性气溶胶净化性能如图5。水滴可以在IPNN表面保持其形状，而植物油滴则被快速吸收并均匀扩散。表明其具有疏水表面，水接触角为127°，但具有超亲油性，植物油接触角在0.25秒内变为0°。其特殊润湿性归因于酯键的存在和IPN的多孔结构。酯键有助于疏水性和亲油性，而多孔结构在固液界面储存大量空气，使水滴能够保留在表面。更细的直径和具有固结点的复杂IPN的组合导致高孔隙率和比表面积，对油滴产生巨大的芯吸效应。IPNN在5秒内表现出5毫米的芯吸高度，在180秒内达到30毫米，表明有效净化油性气溶胶的巨大迁移潜力。同时，非织造布具有疏水性，不被水润湿，漂浮在水面上，表明具有有效净化油性气凝胶的迁移潜力和特殊润湿性。
图5：互穿网络纳米纤维杂化膜的润湿性及油性气凝胶的净化性能
互穿纳米纤维杂化膜具有99.87%的过滤效率和106Pa的过滤阻力，还表现出长期高效过滤性，并且其品质因子优于其他市售产品。净化效率和压降之间的这种出色的平衡可归因于孔径、排列和超连接结构的协同效应。这种平衡是通过将一步静电纺丝技术与紫外线照射和热空气处理相结合来实现的。且具有超连接结构的IPNN 表现出了优异的长期高效能。相邻纳米纤维之间任意分布的固结点类似于蜘蛛捕捉丝的周期性结。通过高倍率FESEM图像测量网络中这些固结点的几何特征和参数。IPNN模仿了蜘蛛捕获丝的结构和功能，能够高效净化油性气溶胶。IPNNs集成了独特的结构、稳定性、特殊的润湿性和净化性能，这种受自然启发的设计为高性能油性气溶胶过滤材料的创建铺平了道路，将进一步推动其实际应用。
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人物简介
周伟涛，中原工学院纺织服装产业研究院副教授，硕士生导师、澳大利亚迪肯大学公派访问学者、河南省青年骨干教师、河南省“三区”人才、《现代纺织技术》首届青年编委、郑州市智能织物与柔性电子技术重点实验室主任，一直致力于高分子材料再生、功能化改性应用及智能可穿戴纺织品等方面的研究，入选2024年河南省“科技副总”。主持省部级以上科研项目6项，发表SCI和EI收录论文30余篇，包括Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、ACS Applied Polymer Materials、Applied Surface Science、纺织学报、高分子科学与工程、材料导报等期刊，授权发明专利11项。
杜姗，博士，副教授，硕士生导师。研究方向为纺织材料改性与传感器制备技术及应用。主持或参与国家自然科学基金、河南省自然科学基金、纺织行业开放课题、企业委托项目等10余项；获河南省科技进步二等奖，河南省高等教育教学成果奖8项。近年来以第一作者或通讯作者在Separation and Purification Technology、Journal of Colloid and Interface Science、Materials & Design、《材料导报》、《纺织学报》等国内外重要期刊上发表论文20余篇，获授权发明专利10项。
来源：小辰科技讲堂
