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厦门大学郑高峰研究团队：基于分子量调节的绿色静电纺丝制备乙基纤维素双峰纳米纤维膜用于高性能空气过滤

  • 发布时间：2024.09.14
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6月30日，厦门大学郑高峰研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表了“Preparation of ethyl cellulose bimodal nanofibrous membrane by green electrospinning based on molecular weight regulation for high-performance air filtration”。本研究旨在通过绿色静电纺丝策略，利用生物基材料制备空气过滤膜，以缓解环境污染和能源危机。研究中特别关注了膜结构调控方法的开发，以及如何通过分子重量调节来实现双峰纤维形态的形成，从而提高空气过滤性能。
 

一、研究方法

以乙醇和水为溶剂，通过静电纺丝制备了乙基纤维素（EC）双峰纳米纤维膜，以实现高性能的空气过滤。提出了一种基于分子量调制的双峰光纤成型新策略。中等分子量的EC聚合物链受到溶剂入侵的最高程度的不均匀性，并且“微观上”粘性力存在显著差异，导致射流的不均匀拉伸形成双峰结构。明确的双峰结构赋予EC膜优异的空气过滤性能。

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图1。不同浓度溶液的粘度：（a）ECS，（b）ECM，（c）ECL。（d） ECS、ECM和ECL溶液在不同水比例下的粘度。（e） ECS、ECM和ECL溶液在不同浓度下的电导率。（f） ECS、ECM和ECL溶液在不同水比例下的电导率。
 
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图2。不同纤维的SEM图像：（a）15ECS、（b）20ECS、（c）25ECS、（d）10ECM、（e）12.5ECM、（f）15ECM、（g）7.5ECL、（h）10ECL和（i）12.5ECL。

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图3。纤维成型工艺示意图。
 
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图4。（a） EC膜的颗粒过滤过程示意图。（b）细纤维积累模式和（c）双峰积累模式。

 

二、性能优势

EC膜在PM0.3过滤效率、压降和品质因数的过滤效率分别为99.11%、42.2Pa和0.112Pa−1，超越了常用的Zein材料。

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图5。（a）EC膜的FTIR光谱。（b） EC和玉米醇溶蛋白膜的应力-应变曲线、（c）水接触角、（d）DTG曲线、（e）TGA曲线和（f）DSC曲线。
 
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图6。（a）不同基重的20ECS、15ECM和12.5ECL膜的过滤效率、（b）压降和（c）QF值。（d） 不同静电纺丝参数制备的15ECM膜的过滤效率和压降。

 

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图7。（a） 过滤效率和（b）15ECM和20zein膜在不同湿度下的压降。15ECM和20zein膜的过滤效率：（c）在不同的空气流量下，（d）在120分钟的测试时间内。

 

三、成本效益

与常用的玉米醇溶蛋白相比，EC的成本仅为12.77%，其溶液的保质期延长了50%，是一种更理想的生物材料。

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图8。ECM溶液的图像存储：（a）8小时，（b）12小时，玉米醇溶蛋白溶液存储：（c）8小时、（d）12小时。

 

这项工作将促进更多生物材料在空气过滤中的应用，促进高性能空气过滤膜的绿色制造，实现可持续发展。

 

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.133411

 

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