引言

近年来，为积极响应我国可持续发展战略，使用可再生、可降解的生物基材料代替合成基材料已成为电纺空气过滤膜的研究热点之一。尽管绿色静电纺丝生物基材料的研究取得了大量成果，但大多数生物基材料存在一个共同的缺陷：机械性能差，这主要归因于生物基材料分子骨架中缺乏刚性芳香环结构，导致其机械性能往往差强人意，当气流施加于膜的应力较大时，纤维结构易坍塌受损，从而无法实现在高通量环境中持久稳定的高性能过滤。这一问题严重限制了生物基材料在工程领域的应用，并且迄今尚未找到合适的解决方案。

近日，厦门大学刘益芳副教授、郑高峰教授与福州大学邵尊桂副研究员团队，提出了“内外兼修”策略，通过一步电纺工艺，制备了兼顾空气过滤与机械性能的乙基纤维素(EC)/壳聚糖(CS)纳米纤维膜。CS作为一种含有大量阳离子的天然聚合物，它的加入一方面提高了前驱体溶液的电导率，增强了射流在静电场中的电压响应，使射流易于劈裂；但另一方面，CS的极性官能团与EC聚合物链形成氢键，使溶液粘度升高，阻碍射流劈裂。只有在CS浓度适中时，电导率的提高可以克服粘度的提高，导致射流劈裂，获得双峰纤维。

 创新亮点

本研究创造性地提出了“内外兼修”，以解决生物基纤维膜机械性能差的固有缺陷，并首次提出了一种合适的材料匹配和结构设计策略，旨在平衡生物基纤维膜的空气过滤性能和机械性能。这一新颖策略为生物基绿色静电纺丝纤维膜在高通量环境下实现高性能过滤提供了有效途径，有利于缓解能源和环境危机。

1、“内外兼修”的提出

▪ 内部增强：通过引入壳聚糖（CS），与乙基纤维素（EC）形成氢键，从微观层面提升单根纤维的机械强度。

▪ 外部增强：通过加热-退火工艺，使CS熔融并重新固化，在纤维间形成“粘结结构”，从宏观层面提升纤维膜的整体机械性能。

2、绿色静电纺丝技术

▪ 采用乙醇和水作为溶剂，完全避免了传统有毒溶剂（如DMF、DMAC）的使用，实现了环境友好型制备。

▪ 通过调节CS浓度（1.5%），优化了溶液的导电性和结合能，成功制备出具有双峰结构的纳米纤维膜。

3、高通量空气过滤性能

▪ 在85 L/min的高通量条件下，纤维膜对PM0.3的过滤效率高达99.01%，压降仅为56.2 Pa，品质因子（QF）为0.082 Pa⁻¹。

▪ 机械性能显著提升：弹性模量和拉伸强度分别达到103.13 MPa和5.97 MPa，较纯EC膜提升了398.45%和570.79%。

4、材料选择与结构设计

▪ EC的低结合能体系与CS的高导电性协同作用，促进了静电纺丝过程中射流的分裂，形成双峰纤维结构。

▪ CS的低熔点（88°C）使其在加热-退火过程中易于熔融和固化，形成纤维间的粘结结构。

图文解析

 图1 不同浓度CS射流行为示意图：(a) 浓度过低；(b) 浓度过高；(c) 浓度适中

CS与EC形成的氢键，在微观上增强了单根纤维的机械强度，然而增强效果并不足够。所以引入加热-退火工艺，加热时，CS熔化为液相，在纤维间流动，退货时，CS凝固，将临近纤维粘接到一起，形成键合结构，在宏观上改善了纤维膜的整体机械性能。这种氢键与键合结构相结合、微观与宏观相结合的方法，即“内外兼修”策略。最终所制备的EC/CS双峰纳米纤维膜具有良好的空气过滤与机械性能，在85 L/min的高通量下，对PM 0.3的过滤效率达到99.01 %，压降为56.2 Pa，Q_F为0.082 Pa^-1。

 图2 基于“内外兼修”策略的高通量EC/CS双峰空气过滤膜的生产示意图

EC/CS纳米纤维膜保持了良好的疏水性(水接触角为121.5°)，热稳定性(热分解温度为340℃)和优越的机械性能，弹性模量为103.13 MPa，拉伸强度为5.97 MPa。与此前团队所制备的EC双峰纳米纤维膜的机械性能相比(弹性模量为20.69 MPa，拉伸强度为0.89 MPa)，分别提高了398.45%和570.79%。在实际过滤过程中，一方面，细纤维增强了对细小颗粒的捕获能力；另一方面，粗纤维的存在增大了纤维之间的距离，防止了纤维致密堆积导致的滑移效应失效。两者相互结合，有效地在低气流阻力下实现了高过滤效率。而键合结构的存在保证了纤维结构在高通量环境中仍能保持稳定，避免因纤维结构受损而导致的空气过滤性能恶化。

 图3 (a) 双峰纤维捕获颗粒物的示意图；(b) 细纤维的致密堆积导致气流无法通过； (c) 粗纤维保证了足够的气流通路；(d) 有无键合结构的纤维膜在高通量下过滤差异的示意图

 图4 前驱体溶液的理化性质的探究

 图5 0-2CS的纤维形貌、空气过滤性能及其余表征

 图6 未经过加热-退火工艺处理的0-2CS在普通通量(流速)与高通量(流速)下的空气过滤性能对比

图7 经过不同加热温度和时长的加热-退火工艺处理的0.5-2CS纤维形貌，及加热前后空气过滤性能对比

 图8 经过加热-退火工艺处理的0.5-2CS在高通量下的空气过滤与机械性能

 图9 1.5CS在不同厚度下的空气过滤性能，及24 h持续过滤能力(与N95口罩核心滤层对比)

总结与建议

本研究通过绿色静电纺丝技术，成功制备了EC/CS双峰纳米纤维膜，并创新性地提出了“内外兼修”策略，解决了生物基材料机械性能不足的难题。该纤维膜在高通量空气过滤中表现出优异的性能，同时具备环境友好和可降解的特性，为工业、医疗和实验室等领域的空气净化提供了新的解决方案。

未来研究可进一步优化规模化生产工艺，提升生物基聚合物溶液的稳定性，并探索连续化静电纺丝技术以提高效率。同时，可拓展多功能性（如抗菌、抗病毒、催化、散热等）以满足更复杂需求，并结合智能材料开发动态响应型过滤膜。此外，应加强产学研合作，推动该技术在高端过滤如医疗与生物安全、半导体与电子工厂过滤、汽车/飞机舱内空气净化、新能源汽车电池组防护、军事与核生化防护等领域的实际应用，并研究回收再利用方案，进一步提升可持续性。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.145202