【材料】ACS AMI┃Janus納米纖維膜用於PM過濾,揮發性有機化合物吸附以及定向水轉移

2021-01-20 X-MOL資訊


英文原題：Directional Water Transfer Janus Nanofibrous Porous Membranes for Particulate Matter Filtration and Volatile Organic Compound Adsorption

通訊作者：劉育，南開大學

作者：Wenshi Xu, Yong Chen, and Yu Liu


空氣汙染可能誘發或加重多種疾病，例如呼吸道疾病，心血管疾病，甚至是癌症，對人類健康產生嚴重威脅。為了減少空氣汙染對人的危害，優質的個人防護材料受到越來越多的關注。大氣中的主要汙染物包括顆粒物（PM）和揮發性有機化合物（VOC）。因此，研究同時過濾PM和VOC的多功能材料具有重要的意義。另一方面，大多數商業口罩由疏水材料製成，當溫度較低時，呼出氣體中的水蒸氣會在口罩內側凝結成小水滴。親水性材料可以快速吸收水滴，但水仍保留在材料上。因此，疏水性和親水性材料都會引起令人不舒服的潮溼感。口罩的舒適度也是一個重要方面，應引起更多的重視。因此，迫切需要一種能夠將呼出的水蒸氣或水滴定向轉移至外側的口罩材料。為了解決上述問題，南開大學劉育教授團隊利用靜電紡絲技術開發了三種Janus納米纖維多孔膜。這三種Janus膜的親水側均為包含50％ β-環糊精的聚丙烯腈（PAN）納米纖維，而疏水側分別為11％聚己內酯（PCL）/疏水性氧化鋅（ZnO）、11％聚己內酯/ 2％聚己內酯和從商業口罩中間剝離的疏水層。疏水層摻雜疏水氧化鋅或2％PCL是為了增加疏水側的粗糙度從而增強其疏水性。當用作口罩時，Janus膜的疏水側貼近面部，親水側朝外。人體呼出的水蒸氣或凝結的水滴可以被定向轉移到口罩的外部，以減少潮溼的不適感。同時，含有PAN和β-環糊精的親水層可以有效攔截PM和VOC（圖1）。此外，電紡技術可紡物質種類繁多，所得納米纖維膜纖維直徑小均一性好，孔隙率高，重量輕，與普通濾膜相比，相同過濾效果下的透氣性更高。

圖1. 靜電紡絲技術製備Janus納米纖維膜的示意圖及其在PM、VOC過濾和定向輸水中的應用如圖2所示，三種Janus膜的正反側對水顯示出明顯相反的潤溼性。PAN /β-CD/ PCL / ZnO親水側和疏水側的水接觸角分別為24.6°和125.6°，PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL親水側和疏水側的接觸角分別為17.4°和118.1°， PAN /β-CD/mask親水側和疏水側的接觸角分別為41.7°和133.1°。從顯微鏡下的光學圖像和手機拍攝的照片也可以觀察到Janus膜兩側的潤溼性差異。

圖2. PAN/β-CD/PCL/ZnO, PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL和PAN/β-CD/mask正反面具有相反的潤溼性各向異性的Janus膜具有出色的水單向滲透性能（圖3）。為了更清晰直觀地觀察Janus膜的單向滲透性，作者使用乙基紫染色的水代替水。以PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL膜為例，將水滴滴在PCL側，乙基紫染色的水可以在低靜水壓力下從疏水11%PCL/2%PCL側滲透到親水PAN/β-CD側，並且不會在疏水層中擴散。而將水滴滴在PAN側，水在PAN親水層上擴散無法穿透Janus膜；即使在高靜水壓力下，5 mL水也不能從PAN側通過Janus膜。由於靜電紡絲過程中的靜電相互作用，親水性PAN層和疏水性PCL層在應用過程中不會彼此脫離。

圖3. PAN/β-CD/PCL/ZnO, PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL和PAN/β-CD/mask Janus膜水單向滲透性能PM過濾實驗是在霧霾天氣中進行的，帶有PM的空氣流從親水PAN側通過Janus膜，三種Janus膜均能有效捕獲PM（圖4）。如圖4a-c所示，PM暴露4 h後，許多具有不同尺寸的PM顆粒粘附在親水性PAN納米纖維的表面，而在疏水側未觀察到PM，這表明Janus膜可以有效攔截PM。使用手持式CPC3007，SMPS儀器檢測通過Janus膜前後PM的濃度和尺寸分布。三種Janus膜均顯示出較高的PM過濾效率，PAN /β-CD/ PCL / ZnO，PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL和PAN /β-CD/ mask的PM過濾效率分別為99.99％、99.98％和91.56％（圖4d）。使用差壓計來測量通過Janus膜前後的壓差，如圖4e所示，PAN /β-CD/ PCL / ZnO，PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL和PAN /β-CD/ mask的壓降分別為156.5、165.1和15.2 Pa。表明，除了較高的PM過濾效率外，Janus膜同時擁有很好的透氣性。圖4f表明，Janus膜對各種尺寸的PM，甚至是超小尺寸的PM均有很好的過濾效果。

圖4. PAN/β-CD/PCL/ZnO, PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL和PAN/β-CD/mask Janus膜高效過濾PM以PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL為例，利用1H-NMR譜圖通過將對應於苯胺和β-CD的特徵化學位移的峰積分來計算苯胺和β-CD的摩爾比，從而確定苯胺的吸附量。計算得單位質量PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL的苯胺吸附量為449.8 mg / g。β-CD由於其相對疏水的空腔能夠與苯胺形成包合物；另外，β-CD上有許多羥基，可以通過氫鍵吸附苯胺。所以β-CD在苯胺吸附中起到非常重要的作用。

圖5. PAN/β-CD/11%PCL/2%PCL有效吸附苯胺
綜上所述，本文通過靜電紡絲製備了幾種含環糊精的Janus納米纖維多孔膜，該膜可以有效過濾空氣中不同大小的PM，有效吸附VOC，並將呼出氣體中的水定向到膜的外部，給面部提供乾燥舒適的環境。另外，原料廉價易得，Janus膜呼吸阻力低等優勢，使其在個人可穿戴空氣淨化器開發中具有巨大潛力。相關論文發表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，南開大學博士研究生許文師為文章的第一作者，劉育教授為通訊作者。Directional Water Transfer Janus Nanofibrous Porous Membranes for Particulate Matter Filtration and Volatile Organic Compound AdsorptionWenshi Xu, Yong Chen, and Yu Liu*ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c18526Publication Date: January 8, 2021Copyright©2020 American Chemical Society

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