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  最近幾年，中國(guó)的空氣污染令人觸目驚心，由此造成的直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以億計(jì)。更為可怕的是，空氣中PM2.5、PM10以及其它有害微粒對(duì)人體造成的危害，可能在未來(lái)數(shù)年內(nèi)才會(huì)逐漸顯現(xiàn)�？梢灶A(yù)計(jì)，在未來(lái)幾年中國(guó)人口中呼吸道相關(guān)的疾病會(huì)顯著上升。更為嚴(yán)重的是，空氣中的微粒越小，越容易成為重金屬和有機(jī)物的載體，對(duì)人體造成傷害越大。目前為止，市面上的空氣過(guò)濾產(chǎn)品大多是針對(duì)空氣中的微米級(jí)顆粒進(jìn)行攔截。由于制備濾膜技術(shù)所限，對(duì)納米級(jí)顆粒的過(guò)濾還是一個(gè)難題。如何進(jìn)一步改變?yōu)V膜纖維表面的粗糙度，提高纖維比表面積，使其可以捕獲空氣中的納米級(jí)顆粒是目前的研究重點(diǎn)。

  靜電紡絲工藝可以連續(xù)地制備聚合物亞微米/納米纖維，由此得到的纖維膜具有高孔隙率、小孔徑和大比表面積。因此靜電紡絲纖維及相關(guān)產(chǎn)品在空氣過(guò)濾方面得到了極大關(guān)注。但是一般情況下靜電紡絲纖維都是表面光滑的實(shí)心纖維。為了進(jìn)一步提高纖維表面積，很多研究通過(guò)提高靜電紡絲環(huán)境濕度，在納米纖維表面形成很多的凹坑；或者溶解除去復(fù)合纖維中的某一種組分，從而在纖維中留下一些孔洞。雖然通過(guò)這些方法得到的纖維孔結(jié)構(gòu)在一定程度上提高了表面積，但是效果并不是很顯著。

  為了進(jìn)一步提高納米纖維的表面積，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)材料系李加深博士團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了靜電紡絲-后處理兩步法策略，制備真正意義上的多孔纖維。

  首先，使用二氯甲烷(DCM) /二甲基甲酰胺(DMF) 這一溶劑/非溶劑體系對(duì)聚乳酸進(jìn)行靜電紡絲。通過(guò)優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)，控制纖維中聚乳酸分子處于一個(gè)較低的結(jié)晶度水平。然后，使用丙酮在室溫下對(duì)聚乳酸纖維進(jìn)行浸泡處理，丙酮適度溶脹聚乳酸纖維并誘導(dǎo)高分子鏈進(jìn)行充分結(jié)晶，同時(shí)由于晶區(qū)之間內(nèi)應(yīng)力的作用，在纖維內(nèi)部形成幾納米到幾百納米不等的孔隙。

  和實(shí)心纖維相比，所得到的完全鏤空納米纖維具有超高比表面積，在纖維表面形成無(wú)數(shù)納米級(jí)的“觸手”和“陷阱”，對(duì)空氣中的納米級(jí)顆粒的捕獲效率大大提高。

圖1. 靜電紡絲聚乳酸纖維在丙酮處理前（左）和處理后（后）的電鏡照片。

  和傳統(tǒng)靜電紡纖維膜比較，經(jīng)過(guò)后處理的膜材料，具有更高的比表面積（75 m²/g）和較高的楊氏模量（0.21 GPa）。基于一系列材料學(xué)表征結(jié)果，李加深博士對(duì)于溶劑/非溶劑/聚合物三相的紡絲液體系和丙酮后處理工藝，分別提出了溶劑誘導(dǎo)相分離以及溶劑誘導(dǎo)重結(jié)晶的機(jī)理解釋。

圖2. 多孔纖維的制備機(jī)理

  李加深博士團(tuán)隊(duì)還積極開(kāi)發(fā)基于該多層級(jí)多孔纖維膜材料的應(yīng)用。聚乳酸作為可在自然界和人體內(nèi)降解的環(huán)保綠色無(wú)污染材料，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。目前，團(tuán)隊(duì)已報(bào)道將該膜材料用于攔截空氣中極細(xì)（30-100 nm）氣溶膠顆粒污染物的研究結(jié)果。

圖3. 多孔膜材料對(duì)30、50、100納米氣溶膠顆粒的攔截效率、空氣阻力（壓降）以及過(guò)濾效果的品質(zhì)因數(shù)。

  以上科研成果近期在ACS applied materials & interfaces上發(fā)表。共同第一作者分別為曼徹斯特大學(xué)博士生宋鋆和利物浦大學(xué)博士生張博聞，唯一通訊作者為曼徹斯特大學(xué)李加深博士。

  李加深博士歡迎國(guó)內(nèi)外科研院所及企業(yè)進(jìn)行學(xué)術(shù)或產(chǎn)業(yè)化洽談。

  詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.9b18083