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
空氣污染可能誘發(fā)或加重多種疾病，例如呼吸道疾病，心血管疾病，甚至是癌癥，對人類健康產(chǎn)生嚴重威脅。為了減少空氣污染對人的危害，優(yōu)質(zhì)的個人防護材料受到越來越多的關(guān)注。大氣中的主要污染物包括顆粒物(PM)和揮發(fā)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(shù)商業(yè)口罩由疏水材料制成，當溫度較低時，呼出氣體中的水蒸氣會在口罩內(nèi)側(cè)凝結(jié)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濕感?？谡值氖孢m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?qū)⒑舫龅乃魵饣蛩味ㄏ蜣D(zhuǎn)移至外側(cè)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(shù)開發(fā)了三種Janus納米纖維多孔膜。這三種Janus膜的親水側(cè)均為包含50％ β-環(huán)糊精的聚丙烯腈(PAN)納米纖維，而疏水側(cè)分別為11％聚己內(nèi)酯(PCL)/疏水性氧化鋅(ZnO)、11％聚己內(nèi)酯/ 2％聚己內(nèi)酯和從商業(yè)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(cè)的粗糙度從而增強其疏水性。當用作口罩時，Janus膜的疏水側(cè)貼近面部，親水側(cè)朝外。人體呼出的水蒸氣或凝結(jié)的水滴可以被定向轉(zhuǎn)移到口罩的外部，以減少潮濕的不適感。同時，含有PAN和β-環(huán)糊精的親水層可以有效攔截PM和VOC(圖1)。此外，電紡技術(shù)可紡物質(zhì)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(shù)制備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(cè)對水顯示出明顯相反的潤濕性。PAN /β-CD/ PCL / ZnO親水側(cè)和疏水側(cè)的水接觸角分別為24.6°和125.6°，PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL親水側(cè)和疏水側(cè)的接觸角分別為17.4°和118.1°， PAN /β-CD/mask親水側(cè)和疏水側(cè)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(cè)的潤濕性差異。
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濕性各向異性的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(cè)，乙基紫染色的水可以在低靜水壓力下從疏水11%PCL/2%PCL側(cè)滲透到親水PAN/β-CD側(cè)，并且不會在疏水層中擴散。而將水滴滴在PAN側(cè)，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(cè)通過Janus膜。由于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(cè)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后，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(cè)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膜前后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膜前后的壓差，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譜圖通過將對應于苯胺和β-CD的特征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(zhì)量PAN /β-CD/ 11％PCL / 2％PCL的苯胺吸附量為449.8 mg / g。β-CD由于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，本文通過靜電紡絲制備了幾種含環(huán)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，并將呼出氣體中的水定向到膜的外部，給面部提供干燥舒適的環(huán)境。另外，原料廉價易得，Janus膜呼吸阻力低等優(yōu)勢，使其在個人可穿戴空氣凈化器開發(fā)中具有巨大潛力。相關(guān)論文發(fā)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 Adsorption
Wenshi Xu, Yong Chen, and Yu LiuACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, DOI: 10.1021/acsami.0c18526Publication Date: January 8, 2021Copyright ? 2021 American Chemical Society
