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厦门大学郑高峰团队:基于玉米醇溶蛋白/壳聚糖盐酸盐/根皮素全生物基材料绿色静电纺丝制备高性能抗菌空气过滤


1、摘要:电纺丝纳米纤维膜由于其较大的比表面积、高孔隙率和可控的纤维结构,已成为制备空气过滤器的首要选择。此外,空气中往往含有大量的致病菌,如果它们沉积在细胞膜上,就会对人类的健康构成潜在的威胁。石油衍生聚合物被广泛应用于制备静电纺丝空气过滤膜,表现出良好的空气过滤性能。然而,原材料的不可再生和困难的退化给可持续发展带来了困难。同时,剧毒有机溶剂的使用进一步增加了环境负担。因此,采用绿色静电纺丝策略制备具有高空气过滤性能和抗菌性能的全生物基膜,对其可持续发展具有重要意义。

 

2、技术亮点:厦门大学郑高峰教授团队构建了“小分子牵引——阳离子促进”机制,采用一步绿色静电纺丝法制备了具有双峰结构的玉米醇溶蛋白/壳聚糖盐酸盐/根皮素纳米纤维膜。PL小分子分散在溶液中,并与聚合物链相互作用。在静电纺丝过程中,PL更容易受到电场的影响,电场软化了聚合物链,优化了静电纺丝过程,最终在CS阳离子的作用下实现了射流分裂。含有小分子PL的“软化”射流更容易被拉伸,尽管随着小分子含量的增加,溶液粘度有所增加,但在射流中始终存在一个“微观”部分的弱氢键软化链,这是双峰纤维形成的主要因素。

图1 “小分子牵引——阳离子促进”机制示意图


 

基于“小分子牵引——阳离子促进”这种创新型机制一步电纺制备具有双峰结构的玉米醇溶蛋白/壳聚糖盐酸盐/根皮素纳米纤维膜。结果表明,zein/3PL/1CS膜具有较好的空气过滤性能,其中空气过滤效率达到99.65%,压降仅为57.7Pa,QF达到0.098 Pa-1,比N95核心过滤层高出63.3%。同时,基于PL和CS的协同抗菌机制,zein/3PL/1CS膜获得了高效的抗菌性能,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率均为99.9%。30天后,抑菌性能仍较高,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率分别为99.9%和98.1%。
 

图2 纳米纤维膜在抗菌空气过滤性能方面的差异

 

zein/3PL/1CS纳米纤维膜保持了较高的疏水性(水接触角为128°),热稳定性(热分解温度为322.7 ℃),机械性能(弹性模量为33.86 MPa,抗拉强度为1.07 MPa)。与zein/1CS纳米纤维(带有珠串和褶皱的缺陷纤维)相比,zein/3PL/1CS纳米纤维具有明显的双峰结构(纤维直径在0-60 nm的比例占52%)。一方面,超细纤维周围增强的滑移效应使空气流线更靠近纤维表面,从而防止颗粒逃脱对细纤维的拦截。因此,单个超细纤维也具有一定的颗粒拦截能力(如图3(a)中的绿色圆圈所示)。此外,分裂纤维形成的二维孔隙也具有一定的颗粒拦截能力(如图3(a)中的紫色圆圈所示)。另一方面,粗纤维和细纤维的交织成功地增强了纤维之间的间隙,为气流通过提供了充足的空间,这有效地减轻了整体压降。

图3(a)纤维膜过滤颗粒过程示意图;(b)细纤维积累模态;(c)双峰纤维积累模态

基团相互作用与疏水性能探究

纤维形貌优化探究

溶液理化性质的探究

纤维膜过滤性能探究

 

3、结论与展望

3.1、这是首次报道采用绿色静电纺丝法制备全生物基高性能抗菌空气过滤膜,有助于其可持续发展。

3.2、创新性地提出了双峰纤维膜的形成机理,即“小分子牵引——阳离子促进”机制,根皮素和壳聚糖盐酸盐的协同作用促进了双峰结构的形成。

3.3、本研究首次开发了具有良好抗菌性能的根皮素的价值,开拓了根皮素在绿色静电纺丝领域的应用。

3.4、这种简单的一步制备策略有利于静电纺丝空气过滤膜的商业化。
 

论文的第一作者为厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院硕士研究生沈锐敏,通讯作者为厦门大学郑高峰教授,参与工作的还有博士研究生邵尊桂,硕士研究生陈瑞欣、王麒斌、桂则谦,本科生祁宇德、宋文正毅以及厦门大学刘益芳副教授。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126893

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