随着工业化和城市化的发展，空气污染已成为全球性问题，其中PM2.5对人类健康威胁最大。空气过滤材料按作用机制分为静电、化学、生物和机械过滤材料，其中机械过滤材料因高过滤效率、操作简便和成本低而被广泛采用。纤维基过滤器因其高过滤效率、低阻力、大灰尘保持能力和可重复使用性而备受关注。熔喷纤维基过滤器虽性能优异，但静电处理易导致电荷损失，降低过滤效率。

静电纺丝技术则不同，它可以制备直径10纳米到1000纳米的纳米纤维，因其高比表面积、高过滤效率和低阻力而成为熔喷纤维基过滤器的潜在替代品。PVDF因机械强度高、化学耐受性好、溶剂相容性强和热稳定性高而被广泛应用于空气过滤。PVDF-HFP比PVDF更具优势，因其溶解性高、疏水性强和机械强度好。此外，抗菌性能对于空气过滤中的电纺纳米纤维膜至关重要，ZnO纳米颗粒因其抗菌特性而备受关注。

一：研究摘要

静电纺纳米纤维膜因独特性质成为空气过滤的理想材料。本文通过溶剂热和同轴静电纺丝法制备了 ZnO@PVDF-HFP 抗菌纳米纤维膜，研究了壳层进料速率和醋酸锌二水合物（Zn(Ac)2⋅2H2O）浓度对膜结构和性能的影响。研究发现，壳层进料速率增加会使纤维直径减小、纳米珠增多、膜孔径变小，进而提高过滤效率和压降；未完全反应的Zn(Ac)2⋅2H2O可增强纺丝溶液导电性，减小孔径，提升空气过滤性能。当壳层进料速率为 0.60 mL/h、Zn(Ac)2⋅2H2O浓度为 1.5 wt% 时，制备的膜展现出卓越的空气过滤性能，过滤效率达 99.91%，压降为 80.70 Pa，品质因数为 0.08781 Pa⁻¹，且连续测试 40 分钟后性能稳定。此外，该膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有很强的抗菌活性，具有多方面的应用潜力。

二：核心研究内容

1. 纳米纤维膜的制备与结构调控

本研究成功通过溶剂热反应和同轴电纺技术成功制备了ZnO@PVDF-HFP抗菌纳米纤维膜。研究发现，壳层进给速率和Zn(Ac)₂·2H₂O浓度对纳米纤维膜的结构和性能有显著影响。当壳层进给速率的增加导致纤维直径减小，纳米珠粒数量增加，从而减小了膜的孔径。当壳层进给速率为0.60 mL·h⁻¹时，纳米纤维膜展现出最佳的空气过滤性能，过滤效率达到97.78%，压降为95.07 Pa（图1）。

图1：壳层进给速率对PVDF-HFP纳米纤维膜性能的影响。 (A) 孔径分布，(B) 平均孔径和空气透过性，(C) 水接触角和水蒸气透过性，(D) 空气过滤性能，(E) 和 (F) 40分钟空气过滤过程中的过滤效率和压降。

2. 空气过滤性能

ZnO@PVDF-HFP纳米纤维膜展现出卓越的空气过滤性能。随着Zn(Ac)₂·2H₂O浓度的增加，纳米纤维膜的孔径减小，空气透过性和水蒸气透过性先增加后减少，水接触角则呈相反趋势。当Zn(Ac)₂·2H₂O浓度为1.5 wt%时，纳米纤维膜的过滤效率达到99.91%，压降低至80.70 Pa，质量因子为0.08781 Pa⁻¹（图2）。

图2：Zn(Ac)₂·2H₂O浓度对ZnO@PVDF-HFP纳米纤维膜性能的影响。 (A) 孔径分布，(B) 平均孔径和空气透过性，(C) 水接触角和水蒸气透过性，(D) 空气过滤性能，(E) 和 (F) 40分钟空气过滤过程中的过滤效率和压降。

此外，即使在连续测试40分钟后，纳米纤维膜仍能保持高过滤效率和低压降，显示出卓越的稳定性（图1）。而且，纳米纤维膜在不同颗粒直径、空气流速、温度和相对湿度下均展现出稳定的过滤性能（图3）。

图3：M8在不同测试条件下的空气过滤性能。 (A) 颗粒直径，(B) 空气流速，(C) 温度，(D) 相对湿度，(E) 运行时间，(F) 60分钟空气过滤后的扫描电子显微镜图像。

3. 显著的抗菌性能

ZnO@PVDF-HFP纳米纤维膜对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）展现出强大的抗菌活性。通过在含有模型细菌的培养基中培养24小时，观察到纳米纤维膜对E. coli的抑制带宽度达到1.94 mm，对S. aureus的抑制带宽度达到2.86 mm（图4和图5）。ZnO纳米颗粒通过释放Zn²⁺离子发挥抗菌作用，且随着Zn(Ac)₂·2H₂O浓度的增加，抗菌性能显著增强。

图4：Zn(Ac)₂·2H₂O浓度对大肠杆菌（E. coli）抗菌性能的影响。 (A) 0 wt%，(B) 0.5 wt%，(C) 1 wt%，(D) 1.5 wt%，(E) 2 wt%。

图5：Zn(Ac)₂·2H₂O浓度对金黄色葡萄球菌（S. aureus）抗菌性能的影响。 (A) 0 wt%，(B) 0.5 wt%，(C) 1 wt%，(D) 1.5 wt%，(E) 2 wt%。

4. 良好的生物安全性

ZnO@PVDF-HFP纳米纤维膜展现出良好的生物安全性，适合实际应用。过在含有纳米纤维膜的水中养殖斑马鱼15天，观察到斑马鱼的存活率高，表明纳米纤维膜具有良好的生物安全性（图6）。

图6：在去离子水中养殖15天的斑马鱼的数码图像

三：结论

总之，通过溶剂热反应和同轴电纺技术成功制备了ZnO@PVDF-HFP抗菌纳米纤维膜。壳层进给速率和Zn(Ac)₂·2H₂O浓度在决定最终结构和性能（包括纤维直径、孔径、空气透过性、水接触角、水蒸气透过性、空气过滤性能和抗菌性能等）方面起着关键作用。具体而言，在0.60 mL·h⁻¹的最佳壳层进给速率下，PVDF-HFP纳米纤维膜（M3）展现出卓越的空气过滤性能，其过滤效率高达97.78%，压降平衡在95.07 Pa，质量因子令人印象深刻，为0.04086 Pa⁻¹。此外，随着Zn(Ac)₂·2H₂O浓度的增加，纳米纤维直径略有减小，纳米纤维膜的孔径减小。空气透过性和水蒸气透过性先增加后减少，而水接触角则呈相反趋势。

值得注意的是，在1.5 wt%的Zn(Ac)₂·2H₂O浓度下，ZnO@PVDF-HFP纳米纤维膜（M8）获得了卓越的空气过滤性能，过滤效率达到99.91%，压降低至80.70 Pa，质量因子卓越，为0.08781 Pa⁻¹。此外，ZnO纳米颗粒的加入赋予了纳米纤维膜固有的抗菌性能，突出了其作为有效空气过滤器和抗菌屏障的双重功能。这项综合研究不仅突出了电纺纳米纤维膜的可调性，还为开发具有卓越空气过滤和抗菌性能的先进材料铺平了道路，从而验证了ZnO@PVDF-HFP纳米纤维膜在空气过滤技术领域（如医用口罩、医用空气过滤器等）的重要应用潜力。

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查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123524

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