DOI: 10.1002/advs.202003155
由于冠狀病毒大流行以及懸浮顆粒物（PM）等相關問題，人們對口罩的需求呈指數級增長。然而，常規的靜電和納米濾膜口罩都是一次性的，并且不可降解或回收，這造成了嚴重的環境污染和浪費。此外，前者在潮濕條件下會喪失功能，而后者在高空氣壓降下將面臨著相對較快的孔堵塞。本研究開發了一種可生物降解、防潮、高度透氣的高性能纖維口罩過濾器。簡而言之，將兩種可生物降解的超細纖維和納米纖維膜整合到Janus膜過濾器中，然后用帶陽離子電荷的殼聚糖納米晶須進行涂覆。該過濾器的效率與市售N95過濾器相同，可去除98.3％的2.5μmPM。納米纖維可物理篩選出細小的PM，而超細纖維可提供59Pa的低壓差，這會使人體呼吸相對舒適。與商用N95過濾器暴露于濕氣時性能急劇下降相反，該過濾器的性能損失可忽略不計，因此可多次使用，因為殼聚糖的永久偶極子吸附超細PM（例如氮和硫氧化物）。重要的是，這種過濾器在堆肥土壤中4周內可完全分解。
圖1.常規和所開發的口罩過濾器的顆粒物（PM）過濾機理，使用特性以及對環境的影響。a）常規非織造纖維過濾器的兩種不同的代表性PM捕集機制及其相應的缺點：基于超細纖維的靜電過濾器的臨時電荷，基于納米纖維的物理過濾器的高壓降和環境污染（由于口罩是一次性的）。b）所開發的殼聚糖涂覆PBS納米纖維/超細纖維集成Janus膜過濾器的突出特點：永久保存離子電荷，低壓降使用戶呼吸相對舒適，且具有生物降解性。
圖2.由不同濃度的溶液生產PBS超細纖維和納米纖維的過程、形態和PM去除性能。a）靜電紡絲裝置和PBS纖維墊的制備示意圖。b）所制備的PBS納米纖維墊。c）所制備的超細纖維墊的SEM圖像及其平均纖維直徑和孔徑。d）所制備的納米纖維墊的SEM圖像及其平均纖維直徑和孔徑。e）不同紡紗時間制備的PBS超細纖維（灰色）和納米纖維（紅色）墊的基重（g m-2）≈厚度。f）具有相似基重（分別為2.0和2.5 g m-2）的超細纖維（灰色）和納米纖維（紅色）墊對不同粒徑PM的去除效率。去除效率是在1.0m/s的風速下測定的。
圖3.CsW涂覆過濾器及其過濾性能。a）使用CsW分散液浸涂的PBS纖維墊，長度約為200nm的CsWs的SEM圖像。b）用于研究純PBS纖維和均勻涂覆CsW-PBS纖維的EDS圖。c）CsW對使用超細纖維墊（左圖）和納米纖維墊（右圖）去除PM1.0、PM2.5和PM10的效率的影響，CsW涂層之前（深灰色：M2.0和深紅色：N2.5）和之后（淺灰色：ChM2.0，淺紅色：ChN2.5）。d）用CsW涂覆超細纖維（灰色：ChM2.0）和納米纖維（紅色：ChN2.5）墊之前和之后的壓差。在空氣流速為1.0m/s的條件下測定去除效率和壓降。
圖4.具有優異特性（例如低壓降、高效率和永久電荷）的集成過濾器。比較單層和集成過濾器的a）壓降，b）PM去除效率和c）品質因數。d）通過廷德爾光散射證明，成功阻隔了香煙源中的PM。e）SEM圖像顯示集成過濾器的物理和靜電PM捕獲能力。f）商用N95和集成過濾器暴露于濕氣后效率下降。
圖5.所開發過濾器的生物降解性。a）CsW涂覆PBS過濾器的時間依賴性酶降解圖像以及重量損失隨時間的變化（酶：疏棉狀嗜熱絲孢菌脂肪酶）。b）圖像顯示在堆肥土壤中CsW涂覆PBS過濾器隨時間的降解情況。
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