近日，齐鲁工业大学（山东省科学院）新材料研究所张兴双教授团队在《Polymers》期刊发布了“Bicomponent Electrospinning of PVDF-Based Nanofiber Membranes for Air Filtration and Oil–Water Separation（双组分静电纺丝制备用于空气过滤和油水分离的PVDF基纳米纤维膜）”的最新研究成果。该团队通过双喷嘴静电纺丝技术成功制备出具有高气溶胶过滤性能和高效油水分离能力的PVDF基纳米纤维膜（制备流程见下图）。这一成果为应对空气污染和水污染问题提供了创新解决方案，有望在个人防护、室内空气净化、含油废水处理和环境保护等领域得到广泛应用。

该团队通过双喷嘴静电纺丝技术成功制备出具有高气溶胶过滤性能和高效油水分离能力的PVDF基纳米纤维膜。这一成果得到了多种图谱的佐证，详见图1，从图1c可以看到，PVDF-PVDF/PDA-3纳米纤维膜，其直径为146.42纳米。电镜图清晰地显示了纳米纤维的形态和分布，证明了PDA的引入使得纤维表面更加粗糙，增加了吸附位点；XRD和FTIR谱图则证实了β-PVDF相的形成。由于静电纺丝过程中高压电场和机械拉伸的影响，PVDF射流被极化和拉伸，这促进了PVDF分子链从非极性的α-PVDF向极性的β-PVDF的偶极矩定向转变，并增强了β-PVDF的结晶度。电荷可以存储在纳米纤维中，使PVDF-PVDF/PDA纳米纤维膜能够通过自身的静电作用主动吸附和稳定地粘附颗粒。

在PVDF中引入聚多巴胺（PDA）产生了丰富的吸附位点，使其具有出色的过滤性能。PDA的加入为PVDF基纳米纤维膜提供了丰富的吸附位点，从而显著提高了过滤性能。实验结果显示，PVDF-PVDF/PDA-3纳米纤维膜在8.82 g/m²的基重下实现了99.967%的PM0.3过滤效率，同时保持了144帕的低压力降。这一结果表明，PDA的引入不仅提高了纳米纤维膜的吸附能力，还使其在保持低空气阻力的同时，实现了高效的气溶胶过滤（见图2a-b）。

图2. (a) PVDF、S-1、S-2、S-3和S-5 NFMs的过滤效率，(b) 压力降和(c) 品质因子。(d) S-3和PVDF/PDA-3在60次过滤循环下的过滤效率和(e) 压力降。(f) PVDF、S-1、S-2、S-3和S-5的N2吸附-脱附等温线和(g) 孔径分布。(h) 过滤后的PVDF-PVDF/PDA的SEM图像（插图显示过滤模拟装置）。(i) PVDF-PDF/PDA NFMs过滤机制示意图。

通过测量PVDF-PVDF/PDA纳米纤维膜的水接触角（WCA），发现其具有良好的疏水性，其水接触角为125.9°（见图3a），这有助于提高其在油水分离应用中的性能。这一特性使得该膜能够有效地排斥水，从而在油水混合物中选择性地吸附油，提升分离效率。

图3. (a) PVDF和PVDF-PVDF/PDA NFMs的水接触角（WCA）。(b,c) PVDF和PVDF-PVDF/PDA-3 NFMs在测试前（上）和测试后（下）的照片及SEM图像，在0.5 mol/L NaCl溶液中测试后。(d) PVDF-PVDF/PDA NFMs表面的油、水、牛奶、NaCl、HCl和NaOH液滴的照片。(e) 显示水和油在PVDF-PVDF/PDA膜上的动态行为的照片。(f) 油水混合物分离过程（蓝色液体代表水）。(g) 吸附油后的PVDF-PVDF/PDA膜在水中的照片（蓝色液滴代表油）。

此外，PVDF-PVDF/PDA纳米纤维膜表现出优异的耐酸碱性，其酸性溶液（HCl，pH=1）和碱性溶液（NaOH，pH=13）中浸泡5小时后，纤维形态未发生改变（见图4a-b）。而且该膜还具有出色的阻燃性，能在离开火源后3秒内自熄（见图4g-h）。这一结果表明，PVDF-PVDF/PDA纳米纤维膜具有良好的化学稳定性和防火安全性，适用于各种恶劣环境和应用场景。PVDF-PVDF/PDA纳米纤维膜展现出良好的耐化学腐蚀性，这归因于PVDF分子链中含有大量氟原子，这种结构赋予膜对大多数酸、碱和有机溶剂的出色化学稳定性和耐腐蚀性。因此，复合纳米纤维膜能够抵抗酸碱侵蚀。PVDF和PVDF-PVDF/PDA纳米纤维膜在离开火源后能够立即熄灭，且PVDF-PVDF/PDA膜在接近火源时会自动卷曲，并在离开火源后3秒内熄灭，但仍保持卷曲状态。这是因为氟原子在燃烧过程中释放大量氟气体，有助于抑制火焰；另一方面，PDA分解产生的-NH基团释放的惰性气体稀释了气相中的火焰流动。因此，该膜具有一定的自熄性。

综上所述，本研究通过双喷嘴静电纺丝技术成功制备了PVDF-PVDF/PDA纳米纤维膜。在电纺丝过程中施加的精确控制的高电压电场不仅有助于纳米纤维的形成，还影响了其形态和结构特性。PDA的引入是研究的关键，其丰富的表面基团显著提升了纳米纤维膜的性能。电纺丝条件诱导的β-PVDF相进一步增强了膜的过滤和分离能力。特别是PVDF-PVDF/PDA-3纳米纤维膜，其直径为146.42纳米，展现出99.967%的PM0.3过滤效率和144帕的低压力降。该膜还表现出优异的疏水亲油性、耐酸碱腐蚀性、机械性能、热稳定性和阻燃性（3秒内自熄）。这一成果为应对空气污染和水污染问题提供了创新解决方案，有望在个人防护、室内空气净化、含油废水处理和环境保护等领域得到广泛应用。

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文章来源：https://doi.org/10.3390/polym17050703