分級多孔聚乳酸納米纖維膜用于超細顆粒氣溶膠過濾

DOI: 10.1021/acsami.9b18083

小于100 nm的超細顆粒氣溶膠在空氣中隨機擴散，對環境和人體健康有害。但是，尚無技術標準或商業產品適用于過濾100 nm以下的粒徑。在這里，作者通過靜電紡絲和后處理工藝報告了具有超高比表面積的多孔聚（L-乳酸）（PLLA）納米纖維膜過濾器的開發。電紡并收集PLLA纖維后，將它們用丙酮處理，以在每根纖維上生成朵狀的多孔結構。形態、結晶度、機械和熱性能的表征表明，多孔結構可歸因于電紡絲過程中非溶劑誘導的旋節線相分離和后處理過程中溶劑誘導的重結晶。具有高比表面積的朵狀多孔結構為具有低壓降（110-230 Pa）的氯化鈉（NaCl）超細氣溶膠顆粒（30-100 nm）帶來了出色的過濾效率（99.99％）。值得注意的是，在7.8 cm/s的空氣流速下，用質量因子（0.07）評估時，膜樣品在過濾較小尺寸氣溶膠顆粒方面的性能優于過濾較大顆粒。最后，該發現證明具有分級孔結構和高比表面積的電紡膜在作為空氣過濾材料的應用中具有巨大潛力。

圖1. （a）靜電紡絲工藝示意圖（b）處理過的PLLA膜和圓形空氣過濾器樣品的照片。

圖2.空氣過濾測試儀器設置的示意圖：通過氣溶膠顆粒發生器制備了平均直徑為30、50、100 nm的NaCl氣溶膠顆粒。通過SMPS中的電場控制粒度。使用兩個CPC對濾膜前后的顆粒數量進行搭配，以進行進一步分析。將該膜固定在過濾器支架上，讓中和的NaCl氣溶膠顆粒流過。

圖3.具有不同PLLA濃度（wt％）的電紡纖維膜的SEM圖像，（a）：1.6（S1-B）；（b）：1.8（S2-B）；（c）：2.0（S3-B）；（d）：2.2（S4-B）和后處理后（e）：1.6（S1-B）；（f）：1.8（S2-B）；（g）：2.0（S3-B）；（h）：2.2（S4-B）。

圖4.（a）后處理前后PLLA纖維膜的XRD圖譜。如果不進行后處理，則電紡PLLA的結晶峰非常微弱。后處理樣品的四個衍射峰表示高結晶度。（b）后處理前后PLLA纖維膜的應力-應變曲線。

圖5.樣品的DSC跡線，顯示了低玻璃化轉變溫度（T_gl），高玻璃化轉變溫度（T_gh）和冷結晶溫度（T_cc）。

圖6.（a）PLLA纖維膜在不同濃度（1.6～2.2w/w）下的N₂吸附-解吸等溫線圖，被確定為典型的IV型等溫線材料。（b）相應的PLLA纖維膜的孔徑分布曲線。

圖7.靜電紡絲和后處理過程每個階段的結構。

圖8.表2中列出的膜樣品對不同尺寸的氣溶膠顆粒的過濾效率（a）30 nm，（b）50 nm，（c）100 nm。（d）B組膜樣品1小時連續過濾試驗的過濾效率。（e）B和C組的膜壓降。（f）30、50和100 nm粒徑的膜樣品的品質因數。