多功能空气过滤用静电纺玉米醇溶蛋白非织造材料形貌调控.pdf

第4 9卷 第3期2 0 2 3年6月东华大学学报(自然科学版)J OUR NA L O F D ON GHUA UN I V E R S I T Y(NA TUR A L S C I E N C E)V o l.4 9,N o.3J u n.2 0 2 3 文章编号:1 6 7 1-0 4 4 4(2 0 2 3)0 3-0 0 4 6-0 7 D O I:1 0.1 9 8 8 6/j.c n k i.d h d z.2 0 2 1.0 6 5 3收稿日期:2 0 2 1-1 1-2 2基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(2 2 3 2 0 2 0 G-0 6);河南省医用防护用品重点实验室资助(Y D 2 0 2 1 0 0 2)通信作者:赵奕,女,副教授,研究方向为非织造材料与工程,E-m a i l:z h a o y i d h u.e d u.c n引用格式:鲁谦之,张正男,段书霞,等.多功能空气过滤用静电纺玉米醇溶蛋白非织造材料形貌调控J.东华大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 9(3):4 6-5 2.L U Q Z,Z HAN G Z N,D UAN S X,e t a l.M o r p h o l o g y c o n t r o l o f e l e c t r o s p u n z e i n n o n w o v e n s f o r m u l t i f u n c t i o n a l a i r f i l t r a t i o n J.J o u r n a l o f D o n g h u a U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e),2 0 2 3,4 9(3):4 6-5 2.多功能空气过滤用静电纺玉米醇溶蛋白非织造材料形貌调控鲁谦之1 a,1 b,张正男2,3,段书霞2,3,田 崇2,3,靳向煜1 a,1 b,赵 奕1 a,1 b(1.东华大学 a.产业用纺织品教育部工程研究中心,b.纺织学院,上海 2 0 1 6 2 0;2.河南省医用防护用品重点实验室,河南 新乡 4 5 3 4 0 0;3.河南亚都控股集团有限公司,河南 新乡 4 5 3 4 0 0)摘要:将玉米醇溶蛋白溶解于不同配比的乙醇/水溶剂中,通过静电纺丝技术制备微纳米非织造材料;通过溶剂熏蒸处理该材料,研究玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料的纤维形貌对空气过滤性能的影响。当溶剂中乙醇与水的质量比为6 4时,玉米醇溶蛋白纤维截面呈圆形,纤维呈圆柱状;当乙醇与水的质量比大于6 4时,玉米醇溶蛋白纤维截面呈椭圆扁平状,且纤维呈自转曲的带状;当乙醇与水的质量比为7 3时,带状纤维膜平均孔径最小、空气滤效最高。在纺丝时间相同情况下,与圆柱状纤维膜相比,带状纤维膜的厚度增加7 6.1 9%,孔隙率提高3 7.5 9%,滤效提高3.8 5%,滤阻下降7 2.6 3%,品质因数提高3 3 4.7 2%。熏蒸处理后带状纤维膜断裂强度提高约5倍。该非织造材料能有效去除甲醛,可为静电纺玉米醇溶蛋白纤维在高效低阻的多功能空气过滤领域的应用奠定基础。关键词:玉米醇溶蛋白;静电纺;纤维膜;空气过滤;形貌调控;甲醛去除中图分类号:T Q 3 4 1.5 文献标志码:AM o r p h o l o g y c o n t r o l o f e l e c t r o s p u n z e i n n o n w o v e n s f o r m u l t i f u n c t i o n a l a i r f i l t r a t i o nL U Q i a n z h i1 a,1 b,ZHANG Z h e n g n a n2,3,DU AN S h u x i a2,3,T I AN C h o n g2,3,J I N X i a n g y u1 a,1 b,ZHA O Y i1 a,1 b(a.E ngi n e e r i ng R e s e a r c h C e n t e r o f T e c h n i c a l T e x t i l e s,M i n i s t ry o f E d u c a t i o n,b.C o l l ege o f T e x t i l e s,1.D o ngh u a U n i v e r s i ty,S h a ngh a i 2 0 1 6 2 0,C h i n a;2.H e n a n K ey L a b o r a t o ry o f M e d i c a l a n d P r o t e c t i v e P r o d u c t s,X i n x i a ng 4 5 3 4 0 0,H e n a n,C h i n a;3.H e n a n Y a d u H o l d i ng G r o up C o.,L t d.,X i n x i a ng 4 5 3 4 0 0,H e n a n,C h i n a)A b s t r a c t:Z e i n w a s d i s s o l v e d i n d i f f e r e n t r a t i o s o f e t h a n o l/w a t e r s o l v e n t s t o pr epa r e m i c r o/n a n o n o n w o v e n m a t e r i a l s by e l e c t r o spu n t e c h n o l og y.T h e m a t e r i a l w a s t r e a t e d by s o l v e n t f u m iga t i o n t o s t u dy t h e e f f e c t o f f i b e r m o rph o l og y o f z e i n m i c r o/n a n o n o n w o v e n m a t e r i a l s o n t h e a i r f i l t r a t i o n pe r f o r m a n c e.Wh e n t h e m a s s r a t i o o f e t h a n o l t o w a t e r i n t h e s o l v e n t w a s 6 4,t h e c r o s s-s e c t i o n o f z e i n f i b e r s w a s r o u n d a n d t h e f i b e r s s h o w e d r o d-l i k e m o rph o l og y.Wh e n t h e m a s s r a t i o o f e t h a n o l t o w a t e r w a s gr e a t e r t h a n 6 4,t h e c r o s s-s e c t i o n o f z e i n f i b e r s w a s e l l ipt i c a l a n d f l a t,a n d t h e f i b e r s s h o w e d a s e l f-r o t a t i ng c u r v e d r i b b o n-l i k e m o rph o l og y.Wh e n t h e m a s s r a t i o o f e t h a n o l t o w a t e r w a s 7 3,t h e r i b b o n-l i k e f i b e r m e m b r a n e h a d t h e s m a l l e s t a v e r age po r e s i z e a n d t h e h igh e s t a i r f i l t r a t i o n e f f i c i e n cy.T h e t h i c k n e s s o f 第3期鲁谦之,等:多功能空气过滤用静电纺玉米醇溶蛋白非织造材料形貌调控t h e r i b b o n-l i k e f i b e r m e m b r a n e i n c r e a s e s by 7 6.1 9%a n d t h e po r o s i ty i n c r e a s e s by 3 7.5 9%,w h i l e t h e f i l t r a t i o n e f f i c i e n cy i n c r e a s e s by 3.8 5%,t h e f i l t r a t i o n r e s i s t a n c e d e c r e a s e s by 7 2.6 3%a n d t h e qu a l i ty f a c t o r i n c r e a s e s by 3 3 4.7 2%c o mpa r e d w i t h t h e r o d-l i k e f i b e r m e m b r a n e u n d e r t h e s a m e spi n n i ng t i m e.T h e b r e a k i ng s t r e ngt h o f t h e f u m iga t i o n-t r e a t e d r i b b o n-l i k e f i b e r m e m b r a n e i n c r e a s e d by a b o u t 5 t i m e s.T h e z e i n m i c r o/n a n o n o n w o v e n m a t e r i a l c a n e f f e c t i v e ly r e m o v e f o r m a l d e hyd e,l ayi ng t h e f o u n d a t i o n f o r t h e ap pl i c a t i o n o f e l e c t r o spu n z e i n f i b e r i n t h e f i e l d o f m u l t i f u n c t i o n a l a i r f i l t r a t i o n w i t h h igh e f f i c i e n cy a n d l o w r e s i s t a n c e.K e y w o r d s:z e i n;e l e c t r o spi n n i ng;f i b e r m e m b r a n e;a i r f i l t r a t i o n;m o rph o l og y c o n t r o l;f o r m a l d e hyd e r e m o v a l 随着全球工业的快速发展,空气污染成为威胁人类健康和造成环境污染的严重诱因之一1。空气污染物主要包括3种:颗粒物(PM s)、化学气体和微生物2-4。根据颗粒大小,PM s通常被分为不同的类别,其中细小颗粒污染物危害最大,例如粒径2.5 m的PM2.5颗粒被人体吸入后会引发一系列呼吸系统和心血管疾病5-6。气体污染物主要包括硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物(C O和C O2)、甲醛(HCHO)和挥发性有机化合物7-8。其中,HCHO是室内和工厂中最常见的空气污染物之一9,对心血管、内分泌系统等都具有毒性作用,甚至会引发癌症。目前减少空气污染的重要手段之一就是使用有效的空气过滤器,这就要求过滤器能够在低阻力下捕获空气中的各种污染物1 0。因此,研发一种高效、低阻的多功能空气过滤器是至关重要的。然而,传统的空气过滤器很难同时实现颗粒物和有害气体的捕获。大多数商用过滤器由合成纤维组成,纤维表面缺乏反应性官能团,只能实现颗粒物的拦截,而不能去除有毒气体。因此,为同时去除不同类型的污染物,通常将大量具有吸附特性的颗粒(如活性炭)负载在过滤器纤维表面,但这会增加成本和制备难度,同时也不可避免地增加过滤器的压降。另外,传统的过滤材料采用的纤维原料来源于石油基材料,过滤材料不易生物降解,易造成环境的二次污染。因此,制备可在低压降下高效去除颗粒物和化学气体的绿色空气过滤材料仍然是一项长期挑战。玉米醇溶蛋白是农产品玉米榨油后的副产品,是一种低成本的绿色高交联高分子材料,具有来源丰富、相对分子质量高、水稳定性和耐温性好等优点1 1-1 3。近年来,玉米醇溶蛋白因其丰富的官能团能与甲醛、一氧化碳等化学气体反应,多被制备成去除有害气体的滤材1 4。T i a n等1 5将玉米蛋白和聚环氧乙烯共混后经静电纺丝处理制备成纳米纤维,并将其复合在基材上,构筑层合结构的含蛋白质纳米纤维的空 气 过 滤 材 料,其 对0.11 0.0 m的PM s和有毒化学气体(如C O和HCHO)表现出优异的空气过滤效率,且在高湿环境中具有优异的防潮性。L i u等1 6将含有玉米醇溶蛋白纳米颗粒涂层的棉纤维与静电纺丝玉米醇溶蛋白纳米纤维以层级复合方式制备成双层空气过滤材料,该材料的颗粒物滤效达9 9%以上,同时甲醛去除率为6 6.2%,但滤阻达1 1 2.5 P a/g。静电纺蛋白纤维过滤材料虽然具有较大的比表面积和较高的表面能,能够促进官能团和有害气体物质之间的相互作用及捕获,但纳米纤维膜中的蛋白纳米纤维之间堆砌较为紧密,导致滤阻较高。此外,作为过滤材料用时,蛋白质电纺膜自身的力学性能较差,难以实际应用。本文以不同配比的乙醇水溶液为溶剂,通过静电纺丝技术制备不同形貌结构的玉米醇溶蛋白非织造材料,探究形貌结构与空气过滤性能之间的关系,并对造成过滤性能差异的原因进行分析,然后通过溶剂熏蒸法改善玉米醇溶蛋白非织造材料的力学性能,以期在不额外添加化学黏合剂的条件下,为玉米醇溶蛋 白 非 织 造 材 料 在 空 气 过 滤 中 的 应 用 奠 定基础。1 试验部分1.1 试验材料 玉米醇溶蛋白(9 5%纯度,东京化学工业有限公司);乙醇(体积分数9 9.5%,中国国药集团化学试剂有限公司);去离子水。1.2 玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料的制备 称取适量的玉米醇溶蛋白粉末,以乙醇与水的混合溶液作为溶剂,溶剂配比(乙醇和水的质量比,简称醇水比)分别为5 5、6 4、7 3、8 2、9 1、1 0 0,配置玉米醇溶蛋白质量分数为2 5%的纺丝液。在常温下使用磁力搅拌器搅拌1 h至玉米醇溶蛋白粉末完全溶解,然后静置2 0 m i n直至纺丝液中气泡消失。其中,醇水比分别为5 5和1 0 0时粉末无法完全溶解,故去除这2组试验方案,将剩余4种配比的74东华大学学报(自然科学版)第4 9卷 纺丝液抽入规格为1 0 m L的注射器(针头内径为0.5 1 mm)中进行纺丝,各配比纺丝液的纺丝时间相同。环境温度为(2 02),相对湿度为(5 05)%。为探讨静电纺丝过程中影响纤维的主要因素(纺丝电压、接收距离和推进速度)的最优组合,采用醇水比为7 3的溶剂,用L 9(34)正交试验表设计不同纺丝参数的正交试验方案,在相同时长条件下进行纺丝,利用直观分析法进行分析。静电纺丝正交试验的参数和水平如表1所示。表1 静电纺丝中的参数和水平T a b l e 1 P a r a m e t e r s a n d l e v e l s u s e d i n e l e c t r o s p i n n i n g水平纺丝电压/k V接收距离/c m 推进速度/(m Lh-1)11 61 21.521 81 52.032 01 82.51.3 玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料形貌与性能表征 (1)孔径分析测试。采用C F P-1 1 0 0 A I型多孔材料孔径分析仪测试不同醇水比(6 4、7 3、8 2、9 1)样品的孔径大小及分布。将试样裁剪为直径3 0 mm的圆形,放入培养皿中充分浸润,浸润液为L i q u i d A c c e s s o r y K i t(0 1 1 5 0-1 0 0 3 5),然后将试样放入孔径分析仪器内进行测定。每种纤维膜上随机剪取3个试样测试,结果取平均值。(2)纤 维 形 貌 表 征。采 用 场 发 射 扫 描 电 镜(F E S EM)对由不同醇水比(6 4、7 3、8 2、9 1)制备的样品表观形貌进行观察,扫描电压为1 0 k V。然后用I m a g e J软件随机选取1 0 0根纤维测量其直径(或宽度),并计算纤维直径的平均值。(3)厚度测试。用Y G 1 4 1D型厚度仪测量不同醇水比(6 4、7 3)样品的厚度,每种样品测量3次,取平均值,并按式(1)计算玉米醇溶蛋白非织造材料样品的孔隙率P。P=0-101 0 0%(1)式中:0为玉米醇溶蛋白粉末的密度;1为纤维膜的密度,1=m1/(S1d1),其中m1、S1、d1分别为纤维膜的质量、面积和厚度。(4)力 学 性 能 测 试。将 试 样 剪 裁 成5 mm3 0 mm的条带,用Y G(B)0 2 6G-5 0 0型多功能强力仪对不同醇水比(6 4、7 3)样品进行拉伸试验,夹持长度为2 0 mm,拉伸速度为2 0 mm/m i n。每种样品测量5次,结果取平均值。(5)润湿性能表征。使用J C 2 0 0 0型光学接触角测量仪测量不同醇水比(6 4、7 3)样品的静态接触角。采用液滴法进行测定,每块样品测量5次取平均值。(6)傅里叶变换红外光谱分析。采用N i c o l e t 6 7 0 0型红外光谱仪进行测试,扫描范围为4 0 0 04 0 0 c m-1。(7)过滤性能测试。采用T S I 8 1 3 0型自动滤料检测仪测试不同醇水比(6 4、7 3)样品的过滤性能。仪器 生 成 的 氯 化 钠 气 溶 胶 质 量 中 值 粒 径 为0.2 6 m,风速设置为3 2 L/m i n。将试样剪裁成直径为1 5 c m的圆,每种样品测试3次,计算过滤效率(简称“滤效”)和过滤阻力(简称“滤阻”)的平均值。试样的品质因子QF按照式(2)进行计算。QF=-l n(1-)p(2)式中:为滤效;p为滤阻。(8)甲醛去除效果测试。采用I n n o v a 1 4 1 2 i型红外光声谱气体检测仪对醇水比为7 3的样品进行甲醛去除效果测试。将0.2 g样品放入HCHO体积分数为2 0 01 0-6 m L/m3的圆底石英烧瓶内,检测HCHO和C O2的体积分数变化情况。1.4 玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料的熏蒸处理 室温下,将溶剂的醇水比为7 3时制备的非织造材料样品置于容积为4 L的干燥皿中,干燥皿底部盛有2 0 0 m L乙醇溶液,反应2 h后,取出样品并将其真空干燥。2 结果与讨论2.1 玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料的形貌结构调控2.1.1 纺丝工艺参数优化 采用极差法分析纺丝工艺参数对电纺纤维的影响,以确定最优参数。其中,玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料的孔径越小,过滤性能越好。因此,选取指标最小的水平。正交试验结果如表2所示。对比各因素的K值,确定最优的静电纺丝参数:纺丝电压为2 0 k V,接 收 距 离 为1 5 c m,推 进 速 度 为1.5 m L/h。根据R值可以确认,推进速度对玉米醇溶蛋白非织造材料平均孔径值的影响最大,接收距离和纺丝电压次之。2.1.2 不同溶剂配比玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料的形貌表征 不同溶剂配比的静电纺玉米醇溶蛋白非织造材料的S EM图及其直径和孔径分布如图1所示。由图1可知:当醇水比为6 4时,玉米醇溶蛋白非织造84 第3期鲁谦之,等:多功能空气过滤用静电纺玉米醇溶蛋白非织造材料形貌调控 表2 正交试验结果T a b l e 2 T h e r e s u l t s o f o r t h o g o n a l t e s t水平因素纺丝电压/k V接收距离/c m推进速度/(m Lh-1)平均孔径/m11 81 21.53.5 8 921 81 52.03.4 9 731 81 82.54.2 4 442 01 22.53.9 6 052 01 51.53.6 7 262 01 82.03.3 4 772 21 22.04.4 7 182 21 52.53.6 1 592 21 81.53.3 6 9K13.7 7 64.0 0 63.5 4 3K23.6 5 93.5 9 43.7 7 1K33.8 1 83.6 5 33.9 3 9R0.1 5 90.3 5 30.3 9 6材料的纤维呈圆柱状,平均直径为0.7 6 m,材料平均孔径为5.2 3 m;当醇水比大于6 4时,纤维呈自转曲的扁平带状,纤维平均宽度随着醇水比增大而增大,材料孔径也随醇水比增大而增大,且均小于圆柱状非织造材料的平均孔径,其中醇水比为7 3时非织造材料平均孔径最小,为3.9 1 m,孔径分布较窄,最有利于过滤。因此,醇水比分别为6 4和7 3的两种溶剂配比的玉米醇溶蛋白非织造材料被用于后续试验。不同溶剂配比的玉米醇溶蛋白溶液在静电纺丝射流固化过程中,溶液中的乙醇由于沸点低先被蒸发,从而改变纤维表面附近的溶剂组成,使得玉米醇溶蛋白沉淀出来,表面形成半固态外壳,里面的溶剂通过扩散逸出。如果蒸发速度足够慢,纤维横截面将会较为均匀地向内收缩,形成圆形截面。蒸发速度足够快时表皮层内部体积逐渐减小,大气压力倾向于使内含纺丝溶液的管状结构逐渐坍塌,因此形成扁平的椭圆截面1 7-1 8。溶剂中乙醇的挥发速度远远大于水。推测溶剂中醇水比为6 4时,溶剂在系统中的扩散速率大于或等于蒸发速率,形成圆柱状纤维;醇水比大于6 4时,溶剂在系统中蒸发速率大于扩散速率,形成扁平的带状纤维。图1 不同溶剂配比(醇水比)的玉米醇溶蛋白非织造材料S EM图及其直径和孔径分布F i g.1 S EM i m a g e s,d i a m e t e r a n d p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n s o f z e i n n o n w o v e n s p r e p a r e d b y d i f f e r e n t s o l v e n t r a t i o(e t h a n o l/w a t e r r a t i o)2.1.3 厚度和孔隙率测试 测试不同形貌(由醇水比为6 4的溶剂制得的圆柱状纤维的纤维膜记为S1,由醇水比为7 3的溶剂制得的带状纤维的纤维膜记为S2)的玉米醇溶蛋白非织造材料的厚度和孔隙率,计算结果如表3所示。由表3可知,S2纤维膜相比S1纤维膜具有更大的厚 度(增 加7 6.1 9%)和 更 高 的 孔 隙 率(提 高3 7.5 9%),这是由带状纤维的宽度和自转曲所致。2.2 玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料的性能分析2.2.1 力学性能分析 用玉米醇溶蛋白非织造材料的拉伸性能来表征 表3 不同形貌玉米醇溶蛋白非织造材料的厚度和孔隙率T a b l e 3 T h i c k n e s s a n d p o r o s i t y o f z e i n n o n w o v e n sw i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g y纤维膜类型厚度/mm孔隙率/%S10.2 10.0 26 0.6 3S20.3 70.0 48 3.4 2其力学性能。S1和S2两种不同形貌纤维膜的应力-应变曲线如图2所示,两者的力学性能测试结果列于表4。由图2和表4可知,S2纤维膜的断裂强度和断裂伸长率均比S1纤维膜大,且断裂能(曲线下方面积)相比S1纤维膜提高了约4 2.7 9%。因此,带94东华大学学报(自然科学版)第4 9卷 状纤维膜具有更好的力学强度,韧性也更好。这是因为带状纤维更粗,纤维间缠结更多,相互作用大,导致玉米醇溶蛋白非织造材料的断裂强度增大。图2 不同形貌玉米醇溶蛋白非织造材料的应力-应变曲线F i g.2 S t r e s s-s t a i n c u r v e s o f z e i n n o n w o v e n s w i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g y表4 不同形貌玉米醇溶蛋白非织造材料的力学性能T a b l e 4 M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f z e i n n o n w o v e n s w i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g y纤维膜类型断裂强度/k P a断裂伸长率/%S12.2 60.2 31 1.2 11.5 6S22.7 30.2 71 4.4 41.9 22.2.2 润湿性能分析 玉米醇溶蛋白非织造材料的润湿性能用非织造材料和水之间的静态接触角表征,S1和S2两种不同形貌纤维膜的水接触角如图3所示。由图3可知,S1和S2纤 维 膜 的 水 接 触 角 分 别 为1 2 8.2 0 和1 3 4.2 5。由此证实了玉米醇溶蛋白非织造材料的疏水性。而S2纤维膜的水接触角大于S1纤维膜的接触角,这是由于带状纤维膜平均孔径较小,纤维间孔隙小,阻隔水的作用更强;随着溶剂中乙醇质量的增大,纺丝液表面张力下降,纤维表面能降低,导致接触角增大1 9。由此可见,带状纤维膜的玉米醇溶蛋白非织造材料表现出更好的疏水性能。2.2.3 红外光谱分析 S1和S2两种不同形貌纤维膜的红外光谱如图4所示。由图4可知,S1和S2纤维膜的特征峰位置一致。说明不同溶剂配比得到的玉米醇溶蛋白非织造材料的特征官能团相同。图4中能观察到蛋白质的特征官能团酰胺键,包括酰胺A(3 2 8 5 c m-1,与NH拉伸振动有关)、酰胺(1 6 4 5 c m-1,来自CO拉伸振动)、酰胺(1 5 3 4 c m-1,与平面内NH弯曲振动有关)和酰胺(1 2 4 3 c m-1)2 0。图3 不同形貌玉米醇溶蛋白非织造材料的水接触角F i g.3 W a t e r c o n t a c t a n g l e o f z e i n n o n w o v e n s w i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g y图4 不同形貌玉米醇溶蛋白非织造材料的红外光谱图F i g.4 F T I R s p e c t r a o f z e i n n o n w o v e n s w i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g y2.3 玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料过滤性能测试2.3.1 空气过滤性能分析 S1和S2两种不同形貌纤维膜的空气过滤性能如图5所示。由图5可知,S2纤维膜比S1纤维膜表现出 更优异的空 气过滤性能,在提升滤 效(增 大3.8 5%)的同时大大降低了滤阻(下降7 2.6 3%),QF值为0.0 6 2 6 P a-1,约为圆柱状纤维膜QF值的4倍,也远高于商用高效微粒空气过滤器(HE P A)的QF值2 1。滤效的增加是由于带状纤维膜平均孔径小,而小孔径的非织造材料具有更强的微细颗粒物捕获能力1 8。同时,相比圆柱状纤维,由扁平带状纤维构成的非织造材料与颗粒污染物间有更大的接触面积,有更多官能团与污染物相互作用。此外,滤阻的降低是由于自转曲的带状纤维形成了高孔隙率的蓬松纤网结构。2.3.2 HCHO去除能力分析 蛋白质材料含有2 0多种氨基酸的官能团,包括羟 基(OH)、羧 基(C O OH)和 胺(NH2和NH3+)等,因此,玉米醇溶蛋白非织造材料不仅能有效过滤颗粒物,还能去除甲醛等各种有毒气体。S205 第3期鲁谦之,等:多功能空气过滤用静电纺玉米醇溶蛋白非织造材料形貌调控图5 不同形貌玉米醇溶蛋白非织造材料的过滤性能F i g.5 F i l t r a t i o n p r o p e r t i e s o f z e i n n o n a r o v e n s w i t h d i f f e r e n t m o r p h o l o g y纤维膜的甲醛去除测试结果如图6所示。由图6可以看出,S2纤维膜具有优异的甲醛去除能力,9 0 m i n后甲醛和二氧化碳的含量几乎达到平衡状态,此时甲醛体积分数降低7 8.4 7%,C O2体积分数增加4 4.2 5%。由此可见,玉米醇溶蛋白非织造材料的甲醛去除能力包含氨基与甲醛反应的转化和少量的吸附。图6 S2纤维膜的甲醛去除能力F i g.6 F o r m a l d e h y d e r e m o v a l c a p a c i t y o f S2 f i b r o u s m e m b r a n e2.4 玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料的溶剂熏蒸处理 扁平带状纤维膜的力学性能虽优于圆柱状纤维膜,但其用作过滤材料仍表现出力学性能较差的缺点,因此,进一步采用非化学黏合剂的溶剂熏蒸方法提升S2纤维膜中的纤维间物理交联,从而提高玉米醇溶蛋白非织造材料的力学性能。图7 S2纤维膜溶剂熏蒸后的S EM图F i g.7 S EM i m a g e s o f S2 f i b r o u s m e m b r a n e t r e a t e d b y s o l v e n t f u m i g a t i o nS2纤维膜利用溶剂熏蒸处理后的S EM图如图7所示。由图7可知,经溶剂熏蒸后,S2纤维交叉处部分交联到一起,同时纤维表面出现许多小孔。由于挥发的溶剂达到一定浓度后,纤维表面被部分溶解,导致连接点处的纤维物理交联在一起。纤维表面的小孔可能是因为溶剂液滴附着在纤维表面,并随着溶剂对局部溶质的溶解、溶剂本身的迁移和挥发最终形成的有趣的表观形貌。S2纤维膜经溶剂熏蒸处理前后的应力-应变曲线如图8所示。图8 S2纤维膜溶剂熏蒸前后的应力-应变曲线F i g.8 S t r e s s-s t a i n c u r v e s o f S2 f i b r o u s m e m b r a n e s b e f o r e a n d a f t e r s o l v e n t f u m i g a t i o n t r e a t m e n t由图8可知,熏蒸处理后S2纤维膜的断裂强度大大增加,约为熏蒸前的6倍,但断裂伸长率降低6 9.3 8%。这是因为熏蒸处理后的玉米醇溶蛋白非织造材料内部存在部分物理交联,受力时纤维间无法聚拢产生横向收缩,纤维被拉伸到弹性极限后出现滑脱现象,部分纤维断裂直到试样断裂。但熏蒸处理后的玉米醇溶蛋白非织造材料断裂能高于熏蒸前,总体上熏蒸处理提高了玉米醇溶蛋白微纳米非织造材料的力学性能。3 结 论 (1)乙醇和水混合作为静电纺玉米醇溶蛋白非15东华大学学报(自然科学版)第4 9卷 织造材料的溶剂,当醇水比为6 4时,纤维呈圆柱状,当醇水比大于6 4时,纤维呈自转曲的扁平带状。带状纤维膜的平均孔径小于圆柱状纤维膜的平均孔径,其中醇水比为7 3的非织造材料平均孔径最小。(2)不同溶剂配比纺制的圆柱状纤维膜和扁平带状纤维膜具有一致的官能团,扁平带状纤维膜比圆柱状纤维膜表现出更好的疏水性和力学性能。带状纤维膜经熏蒸处理后断裂强力进一步增大。(3)扁平带状纤维膜比圆柱状纤维膜过滤性能更好,可在提升滤效的同时大大降低滤阻,QF值为0.0 6 26 P a-1,约为圆柱状纤维膜QF值的4倍。此外,玉米醇溶蛋白非织造材料不仅能有效过滤颗粒物,还能去除甲醛。参 考 文 献1S O R D I L L O J E,S W I T KOWS K I K M,C OU L L B A,e t a l.R e l a t i o n o f p r e n a t a l a i r p o l l u t a n t a n d n u t r i t i o n a l e x p o s u r e s w i t h b i o m a r k e r s o f a l l e r g i c d i s e a s e i n a d o l e s c e n c eJ.S c i e n t i f i c R e p o r t s,2 0 1 8,8(1):1 0 5 7 8.2S C HM I D T M,VA L E N A S D S,C A T T AN I-C AVA L I E R I I.N a n o d o m a i n s i n c a r d i o p u l m o n a r y d i s o r d e r s a n d t h e i m p a c t o f a i r p o l l u t i o nJ.B i o c h e m i c a l S o c i e t y T r a n s a c t i o n s,2 0 2 0,4 8(3):7 9 9-8 1 1.3V E R D E N E L L I M C,C E C C H I N I C,O R P I AN E S I C,e t a l.E f fic a c y o f a n t i m i c r o b i a l fil t e r t r e a t m e n t s o n m i c r o b i a lJ.J o u r n a l o f A p p l i e d M i c r o b i o l o g y,2 0 0 3,9 4:9-1 5.4L AN E C H,MON TA GN E L J,F AU C I A S.B i o t e r r o r i s m:a c l e a r a n d p r e s e n t d a n g e rJ.N a t u r e M e d i c i n e,2 0 0 1,7(1 2):1 2 7 1-1 2 7 3.5HUAN G R J,Z HAN G Y,B O Z Z E T T I C,e t a l.H i g h s e c o n d a r y a e r o s o l c o n t r i b u t i o n t o p a r t i c u l a t e p o l l u t i o n d u r i n g h a z e e v e n t s i n C h i n aJ.N a t u r e,2 0 1 4,5 1 4(7 5 2 1):2 1 8-2 2 2.6L I U C,H S U P C,L E E H W,e t a l.T r a n s p a r e n t a i r f i l t e r f o r h i g h-e f f i c i e n c y PM2.5 c a p t u r eJ.N a t u r e C o mm u n i c a t i o n s,2 0 1 5,6(1):6 2 0 5.7S OU Z AN D EH H,WAN G Y,Z HON G W H.“G r e e n”n a n o-f i l t e r s:f i n e n a n o f i b e r s o f n a t u r a l p r o t e i n f o r h i g h e f f i c i e n c y f i l t r a t i o n o f p a r t i c u l a t e p o l l u t a n t s a n d t o x i c g a s e sJ.R o y a l S o c i e t