黃榮廷， 朱桂英， 李欣雨， 唐道遠(yuǎn)， 張 勇， 王 斌，朱金佗， 何新建， 徐 歡

（1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院, 2. 材料與物理學(xué)院, 徐州 221116；3. 安徽森泰木塑集團(tuán)股份有限公司, 廣德 242299）

大氣細(xì)微顆粒物（PM）污染會(huì)對(duì)公眾健康和社會(huì)發(fā)展造成嚴(yán)重?fù)p害［1～3］. 尤其是一些超細(xì)顆粒物可穿透肺泡和血管， 引起呼吸障礙和心臟病［4］. 為阻斷顆粒物污染及病毒傳播， 空氣凈化器和口罩被廣泛應(yīng)用［5，6］. 熔噴聚合物纖維膜具有高孔隙率和超細(xì)纖維直徑， 常被用作口罩的核心部分［7］. 然而， 目前使用的熔噴非織造布的主要成分是聚丙烯（PP）， 不僅難以降解， 還會(huì)產(chǎn)生微塑料污染［8］. 因此， 研究對(duì)細(xì)微顆粒物具有高效吸附能力且可生物降解的過(guò)濾材料具有重要意義. 靜電紡絲技術(shù)可生產(chǎn)出高表面積和高孔隙率的納米纖維， 是空氣過(guò)濾材料所需要的［9］. 其中， 納纖膜是由納米尺度的纖維構(gòu)成的薄膜， 具有良好的內(nèi)部連通性且對(duì)污染物擁有較好的攔截效果， 已成為制備高性能空氣過(guò)濾器的候選者［10］. 將靜電噴霧和靜電紡絲工藝相結(jié)合有助于納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)， 功能相通過(guò)電噴霧被錨定在纖維表面和納米纖維網(wǎng)絡(luò)之間， 從而實(shí)現(xiàn)納米材料對(duì)纖維表面的功能化［11］. Wang 等［12］通過(guò)靜電紡絲和靜電噴霧相結(jié)合的方式將PVDF 納米纖維和PVDF/二氧化硅（SiO2）微/納米球同時(shí)沉積在PVDF編織物的外表面上， 制備了一種新型的增強(qiáng)型中空纖維膜. 通過(guò)調(diào)節(jié)電噴霧溶液中SiO2的含量，可獲得不同形貌的微/納米球， 且所制備的纖維膜具有高滲透性和優(yōu)異的力學(xué)性能. Cai等［13］通過(guò)靜電紡絲-電噴霧技術(shù)相結(jié)合的策略將含有碳納米管（CNTs）的活性層與多孔殼聚糖（CS）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）/聚乙烯醇（PVA）納米纖維支撐層相結(jié)合， 制備了雙層納米纖維膜， 可高效去除金屬和有機(jī)污染物. 另外， 國(guó)外也有學(xué)者使用相似的方法制備了一系列靜電紡絲膜， 如Hwang等［14］將AgNW（?115 nm×4～50 μm）電噴涂在通過(guò)靜電紡絲獲得的聚丙烯腈（PAN）纖維表面上， 得到的纖維膜不僅對(duì)污染物具有較高的過(guò)濾效率， 且具有優(yōu)異的抗菌效率. 但傳統(tǒng)高分子材料無(wú)法自然降解， 易造成嚴(yán)重的塑料污染和微塑料危害. 因此， 研究和發(fā)展面向高效空氣過(guò)濾應(yīng)用的聚乳酸（PLA）基可降解纖維已成為當(dāng)前熱點(diǎn)[15～18]. 利用多孔納米結(jié)構(gòu)修飾PLA纖維， 不僅可有效調(diào)控纖維表面微結(jié)構(gòu)， 而且可賦予材料多重PM捕獲機(jī)制. 由金屬離子和有機(jī)配體組成的金屬-有機(jī)框架（MOFs）具有多孔和高度有序的晶體結(jié)構(gòu)， 常被用于吸附、 催化和抗菌等方面［19］. 其中， ZIF-8是一類典型的MOFs材料， 具有高比表面積、 高吸附能力及高熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)［20］. ZIF-8表面不平衡的金屬離子和缺陷可提供正電荷， 使PM表面極化， 從而改善MOFs和顆粒物之間的靜電相互作用［21］. 基于以上特性， ZIF-8在空氣過(guò)濾領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿? 目前主要通過(guò)靜電紡絲或原位生長(zhǎng)的方式將使MOF納米顆粒與聚合物納米纖維復(fù)合. Bian等［22］提出將靜電紡納米纖維膜浸入MOF溶液中， 使MOF晶體在纖維表面原位生長(zhǎng)的方法， 所制備的基于金屬有機(jī)框架的過(guò)濾器對(duì)PM2.5和甲醛均具有較好的去除效果. 這種生長(zhǎng)方式雖然條件溫和， 制備工藝簡(jiǎn)單， 但生長(zhǎng)不可控， 對(duì)PM0.3在高空氣流速下過(guò)濾效率較低［23］. 另外， 傳統(tǒng)的靜電紡絲技術(shù)常使ZIF-8晶體包裹在聚合物纖維中， 導(dǎo)致ZIF-8中的孔隙和反應(yīng)位點(diǎn)無(wú)法得以充分利用［24］.

本文使用靜電紡絲-靜電噴霧相結(jié)合的技術(shù)， 將具有高比表面積的ZIF-8顆粒錨定于聚乳酸纖維表面， 實(shí)現(xiàn)了MOF材料對(duì)聚乳酸纖維表面的功能化. 得到的復(fù)合材料具有高電活性、 高PM0.3過(guò)濾性能和優(yōu)異的力學(xué)性能. 這種基于表面功能化的聚乳酸納纖膜可為可降解空氣過(guò)濾材料的設(shè)計(jì)提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚L-乳酸（PLA）， 商品名為L(zhǎng)uminy LX175， Total Corbion PLA（泰國(guó)）有限公司， 平均分子量（Mw）為1.63×105，L-乳酸單體的光學(xué)純度為96%； 二水合乙酸鋅［Zn（CH3COO）2·2H2O， 純度＞98.0%］、 2-甲基咪唑（2-MIM， 純度＞98.0%，）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF， 分析純）、 二氯甲烷（DCM， 分析純）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB， 分析純）， 上海阿拉丁生化科技股份有限公司. 去離子水， 南京維奧化工有限公司.

SU8220型掃描電子顯微鏡（SEM）， 配備有能量色散X射線光譜儀（EDS）， 日本Hitachi公司； Nano ZSE 型Zeta電位分析儀， 英國(guó)Malvern 公司； D8-Advance 型廣角X 射線衍射儀（XRD）， 德國(guó)Bruker 公司； Spectrum 3型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）， 美國(guó)PerkinElmer 公司； SIMCO FMX-003型非接觸式靜電場(chǎng)測(cè)量?jī)x, 深圳斯泰科微科技有限公司； WK-6500B 型介電測(cè)試儀， 英國(guó)Wayne Kerr Electronic 公司； TL-Pro-BM型靜電紡絲設(shè)備， 深圳通力公司； MCE-3G型微型滑臺(tái)電缸, 深圳市大寰機(jī)器人科技有限公司; Keithley 6514型靜電計(jì)， 美國(guó)Tektronix公司； Model 8026型粒子發(fā)生器、 Model AP800型微壓計(jì)和Model 3910型納米顆粒粒徑譜儀， 美國(guó)TSI公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 ZIF-8 納米顆粒的制備 采用微波輔助法制備ZIF-8 納米顆粒. 首先， 將0.55 g Zn（CH3COO）2·2H2O 和4.1 g 2-MIM 分別溶解在60 mL 去離子水中， 然后向2-MIM 溶液中滴加2 mL 濃度為0.01 mol/L的CTAB溶液； 將Zn（CH3COO）2·2H2O溶液加入2-MIM溶液中并充分?jǐn)嚢瑁?使其混合均勻； 將混合液置于微波反應(yīng)釜中反應(yīng)10 min， 溫度和功率分別設(shè)置為140 ℃和800 W， 得到懸浮液. 最后將懸浮液以8000 r/min的速度離心10 min， 于70 ℃真空干燥8 h后獲得ZIF-8納米顆粒.

1.2.2 PLA/ZIF-8納纖膜的制備 將0.8 g PLA 溶解于10 mL DMF/DCM（體積比3/7）混合液中， 得到均勻的PLA紡絲液（0.08 g/mL）； 將不同質(zhì)量（PLA質(zhì)量的2%， 4%和6%）的ZIF-8納米顆粒加入10 mL去離子水中， 并分別添加0.008， 0.016 和0.024 g CTAB， 隨后將混合物超聲處理15 min， 并在室溫下以400 r/min的速度攪拌12 h， 制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZIF-8分散液， 分別記為ZIF-8-2， ZIF-8-4和ZIF-8-6.

使用靜電紡絲裝置， 通過(guò)靜電紡絲-靜電噴霧法制備PLA/ZIF-8納纖膜（Scheme 1）. 將1.5 mL PLA紡絲液和0.75 mL ZIF-8 分散液分別裝入兩個(gè)裝有23 G 金屬針頭的10 mL 注射器中， 流速分別設(shè)置為1 mL/h和0.5 mL/h， 針尖到收集器的距離均保持在15 cm， 施加的靜電場(chǎng)為30 kV. 所得纖維沉積在覆蓋有無(wú)紡布基底的金屬旋轉(zhuǎn)滾筒（接收速度為300 r/min）上. 實(shí)驗(yàn)中的環(huán)境溫度和相對(duì)濕度分別控制在（25±3） ℃和（35±5）%. 最后， 將所制備的PLA/ZIF-8納纖膜（根據(jù)靜電噴霧溶液中ZIF-8的含量， 將所得電紡膜分別記為Pure PLA， PLA/ZIF-8-2， PLA/ZIF-8-4和PLA/ZIF-8-6）于40 ℃干燥12 h， 以充分去除殘留的溶劑.

Scheme 1 Schematic diagram describing the synthetic approach and structural features of PLA/ZIF-8 nanofibrous membranes

1.2.3 摩擦電器件的組裝及性能測(cè)試 將所制備的納纖膜作為中間層， 即摩擦層. 將聚乳酸無(wú)紡布（60 g/m2）浸漬在碳納米管水分散液（2%， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)）中， 制備兩端電極膜， 并利用靜電計(jì)測(cè)量電紡膜的輸出電壓.

1.2.4 PLA/ZIF-8 納纖膜的過(guò)濾性能測(cè)試 采用自建空氣過(guò)濾測(cè)試平臺(tái)（Scheme 2）評(píng)價(jià)納纖膜對(duì)PM0.3的過(guò)濾性能， 運(yùn)用NaCl氣溶膠發(fā)生器生成0～300 nm的超細(xì)PM， 預(yù)設(shè)氣體流速為10， 32， 65和85 L/min. 采用壓力計(jì)測(cè)量空氣阻力（ΔP， Pa）. 使用納米顆粒粒徑譜儀測(cè)量納纖膜上下游的氯化鈉氣溶膠濃度， 從而根據(jù)下式計(jì)算出對(duì)不同粒徑PM的過(guò)濾效率（η， %）：

Scheme 2 Schematic diagram of homemade setup for air filtration tests

式中：c0（個(gè)/cm3）和c1（個(gè)/cm3）分別表示過(guò)濾器上游和下游的氣溶膠濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維膜的表征分析

2.1.1 SEM 分析 由圖1 可以看出， 微波輔助合成的ZIF-8 納米顆粒具有十二面體輪廓， 其平均粒徑為217 nm， 結(jié)構(gòu)完整， 尺寸均勻［圖1（A）～（C）］. 由于Zeta電位值是表征分散液的穩(wěn)定性能的重要參數(shù)， 較高的Zeta絕對(duì)勢(shì)值會(huì)增加顆粒之間的排斥力， 并穩(wěn)定分散液. 通過(guò)獲得的Zeta電位值（70.5，68.5 和48.6 mV）可知， 制備的ZIF-8 分散液穩(wěn)定性較好， 不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生沉降［圖1（D）］. 另外，分散液在靜置2 h后并未出現(xiàn)分層現(xiàn)象也印證了以上結(jié)論.

Fig.1 SEM images(A, B) and particle size distribution(C) of ZIF-8 nanoparticles and Zeta potential of ZIF-8 aqueous dispersions(D)Inset of （D）： a digital photo of the dispersion after standing for 2 h.

Fig.2（A）為Pure PLA 纖維膜的SEM 照片. 可以看出， Pure PLA 纖維膜是由光滑的納米纖維隨機(jī)堆積形成的三維結(jié)構(gòu). 通過(guò)靜電噴霧將ZIF-8納米顆粒錨定于纖維表面后， 能清楚地看到纖維表面開(kāi)始出現(xiàn)具有十二面體輪廓的納米顆粒， 并且其數(shù)量隨著ZIF-8分散液濃度的增大而逐漸增多， 分布在整個(gè)纖維膜中［圖2（B）～（D）］. 另外， 通過(guò)ImageJ軟件測(cè)量至少100根纖維， 以得到平均纖維直徑. 從得到的纖維直徑分布圖中可以明顯看出， 靜電噴霧ZIF-8分散液后， 纖維的平均直徑（dˉ）從548 nm減小到414 nm［圖2（E）～（G）］. 這可能是由于靜電噴霧水分散液使紡絲過(guò)程中的相對(duì)濕度增加， 從而使增壓射流的蒸發(fā)速率和凝固過(guò)程變慢， 最終延長(zhǎng)了帶電射流的伸長(zhǎng)時(shí)間所致［25］. 當(dāng)進(jìn)一步增加分散液中ZIF-8含量時(shí)， 纖維直徑又會(huì)略微上升［圖2（H）］. 整體來(lái)看， 所制備的PLA/ZIF-8納纖膜具有比Pure PLA更細(xì)的纖維直徑和更高的表面粗糙度.

Fig.2 SEM images(A—D) and fiber diameter distribution(E—H) of pure PLA(A, E), PLA/ZIF-8-2(B, F),PLA/ZIF-8-4(C, G) and PLA/ZIF-8-6(D, H)

2.1.2 XRD 與FTIR 分析 通過(guò)XRD 和FTIR 分析對(duì)納纖膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)和兩者之間的相互作用進(jìn)行了探究（圖3）， 進(jìn)一步證實(shí)了電紡膜上存在ZIF-8 顆粒. Pure PLA 和PLA/ZIF-8 納纖膜的XRD 譜圖如圖3（A）所示. 首先， 在2θ值為5°～40°范圍內(nèi)觀察到PLA/ZIF-8 納纖膜中ZIF-8 的XRD 特征峰與原始ZIF-8 相比沒(méi)有出現(xiàn)移位， 表明纖維表面的ZIF-8 的晶體結(jié)構(gòu)保持相對(duì)完整［26］. 另外， PLA/ZIF-8-2，PLA/ZIF-8-4和PLA/ZIF-8-6的XRD譜圖中均出現(xiàn)了ZIF-8的特征衍射峰. 隨著ZIF-8負(fù)載量的增加， 相應(yīng)衍射峰的數(shù)量增多且逐漸變得明顯. 例如， PLA/ZIF-8-2 在2θ=18.4°處出現(xiàn)衍射峰， 對(duì)應(yīng)ZIF-8 的（114）晶面； PLA/ZIF-8-4在2θ=20.5°和2θ=24.3°處出現(xiàn)衍射峰， 分別對(duì)應(yīng)ZIF-8的（233）和（044）晶面.XRD結(jié)果表明， 靜電紡絲-靜電噴霧策略成功將兩種材料結(jié)合在一起.

Fig.3 XRD patterns(A) and full-range FTIR spectra(B) and corresponding local amplified spectra(C—E)of Pure PLA and PLA/ZIF-8 nanofibrous membranesa. Pure PLA; b. PLA/ZIF-8-2; c. PLA/ZIF-8-4; d. PLA/ZIF-8-6.

Fig.3（B）示出了電紡膜在全波數(shù)范圍（4000～650 cm-1）內(nèi)的FTIR 光譜， 局部放大譜圖見(jiàn)圖3（C）～（E）. 可以看出， PLA/ZIF-8 在758 cm-1處均出現(xiàn)了ZIF-8 的特征峰， 該特征峰主要?dú)w因于ZIF-8 中咪唑環(huán)的彎曲振動(dòng)［27］， 進(jìn)一步證實(shí)ZIF-8 顆粒被成功錨定于PLA 纖維表面. 另外， 純PLA 在1183 和1087 cm-1處的特征峰對(duì)應(yīng)于C—O的拉伸振動(dòng)， 電噴ZIF-8分散液后， C—O的拉伸振動(dòng)峰分別紅移到1179和1082 cm-1， 同時(shí)C=O的吸收峰從1753 cm-1逐漸紅移到1749 cm-1. 這些特征峰的紅移是PLA與ZIF-8之間相互作用的結(jié)果［28］， 表明PLA基質(zhì)與ZIF-8存在較強(qiáng)的相互作用.

2.1.3 纖維膜電活性表征與分析 細(xì)微顆粒物的捕獲主要依賴于靜電吸附［29］， 因此纖維的高表面電勢(shì)對(duì)于捕獲空氣中的顆粒物尤為重要. 為了探明靜電噴霧不同濃度的ZIF-8分散液對(duì)纖維膜表面電勢(shì)產(chǎn)生的影響， 測(cè)量了各個(gè)電紡膜在烘干后的表面電勢(shì). 由圖4（A）可知， Pure PLA在干燥后表面電勢(shì)僅為0.9 kV， 而PLA/ZIF-8的表面電勢(shì)隨著分散液中ZIF-8含量的增加而增加. PLA/ZIF-8-2， PLA/ZIF-8-4和PLA/ZIF-8-6 的表面電勢(shì)分別達(dá)到2.5， 4.4 和5.9 kV. 其中， PLA/ZIF-8-6 的表面電勢(shì)是Pure PLA 的近6.6倍. 因此， 靜電噴霧不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZIF-8分散液可以顯著提升纖維的表面電勢(shì)， 這對(duì)于高效捕獲空氣中的微粒具有重要意義.

Fig.4 Surface potential(A), dielectric constant(B) and open-circuit voltage(C) of Pure PLA and PLA/ZIF-8 nanofibrous membranes

Fig.4（B）比較了所得納纖膜的介電常數(shù). Pure PLA具有較低的介電常數(shù)（0.61）， 而將ZIF-8錨定于PLA纖維表面后， 介電常數(shù)迅速提高. 其中， PLA/ZIF-8-6納纖膜的介電常數(shù)高達(dá)1.84. 這可能是由于ZIF-8具有高的比表面積和優(yōu)異的孔隙率， 使表面功能化的聚乳酸納纖膜的介電常數(shù)得到極大提升［30］.同時(shí)， ZIF-8中的高Zeta電位和極性官能團(tuán)的存在也為介電常數(shù)的提高做出了貢獻(xiàn)［31］. 由于介電常數(shù)的提高能夠?qū)崿F(xiàn)高電荷密度輸出［32］和更大的偶極電荷存儲(chǔ)電容［29］. 因此， 通過(guò)靜電計(jì)測(cè)試了PLA/ZIF-8納纖膜的摩擦電輸出電壓［圖4（C）］. 結(jié)果顯示， 經(jīng)ZIF-8表面功能化的聚乳酸納纖膜可以提供優(yōu)越的摩擦電性能. 隨著分散液中ZIF-8含量的增加， 膜的輸出電壓隨之增高， 其中PLA/ZIF-8-6的輸出電壓達(dá)到30.9 V， 與Pure PLA纖維膜相比提高了近5.3倍. PLA/ZIF-8納纖膜的電輸出性能提高主要?dú)w因于纖維表面粗糙度和有效接觸面積的增加［33］. 以上現(xiàn)象均表明所制備的PLA/ZIF-8 納纖膜具有高電活性.

2.1.4 力學(xué)性能分析 通過(guò)測(cè)試所得納纖膜的拉伸強(qiáng)度、 斷裂韌性、 楊氏模量及最大拉伸力延伸率等參數(shù)來(lái)表征PLA/ZIF-8納纖膜的力學(xué)性能. 由應(yīng)力-應(yīng)變曲線［圖5（A）］可以看出， 所有電紡膜在拉伸過(guò)程中的形變過(guò)程基本相似. 當(dāng)ZIF-8被錨定在纖維表面后， 納纖膜的力學(xué)性能均得到了不同程度的提高. 其中PLA/ZIF-8-6的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別為27.6 MPa和692 MPa［圖5（B）］， 與Pure PLA（拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別為15.5 MPa和274 MPa）相比增幅分別達(dá)到78%和153%. 另外， PLA/ZIF-8納纖膜的拉伸韌性和最大拉伸力延伸率均優(yōu)于Pure PLA纖維膜［圖5（C）］. 強(qiáng)度的增加說(shuō)明PLA與ZIF-8之間具有良好的界面粘附性， 可以有效地將載荷從PLA 基質(zhì)轉(zhuǎn)移到ZIF-8上， 從而提升了靜電紡絲膜的綜合力學(xué)性能［34］.

Fig.5 Mechanical properties of Pure PLA and PLA/ZIF-8 nanofibrous membranesTypical stress-strain curves（A） indicate the samples tensile behavior， which yield the plots of tensile strength and Young’s modulus（B）， extension at max force and tensile toughness（C）.

2.2 纖維膜的過(guò)濾性能

2.2.1 過(guò)濾效率及空氣阻力 PM0.3通常被認(rèn)為是最具穿透力的顆粒［35］. 因此， 為了探究在紡絲過(guò)程中同時(shí)靜電噴霧不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZIF-8分散液對(duì)納纖膜空氣過(guò)濾性能可能造成的影響， 在預(yù)設(shè)氣體流速為10， 32， 65和85 L/min 時(shí)對(duì)納纖膜的PM0.3過(guò)濾性能進(jìn)行了測(cè)試， 以證明PLA/ZIF-8納纖膜對(duì)細(xì)微顆粒物具有高效過(guò)濾效率.

Fig.6 示出了Pure PLA 及PLA/ZIF-8 納纖膜在不同流速下的過(guò)濾效率和空氣阻力. 可以看出， 與Pure PLA相比， PLA/ZIF-8納纖膜對(duì)PM0.3的過(guò)濾效率均有了不同程度的提升， 其中PLA/ZIF-8-6的提升效果最明顯， 這與圖4（A）中表面電勢(shì)的變化規(guī)律一致. 過(guò)濾效率的提升是由于高比表面積的ZIF-8嵌入PLA纖維后， 纖維表面的粗糙度增大， 使纖維與顆粒物間的有效接觸面積增加［36］， 從而增加了顆粒沉積的可能性［37］. 同時(shí)， ZIF-8 引入后增強(qiáng)了纖維的靜電力， 使纖維對(duì)細(xì)微顆粒物的靜電吸附能力提升. 此外， PLA/ZIF-8納纖膜的過(guò)濾效率還會(huì)隨氣流速度的增加而增加. 其中， 在氣流速度為10 L/min時(shí)， PLA/ZIF-8-6納纖膜的過(guò)濾效率為89.9%， 當(dāng)氣體流速增加到65 L/min時(shí)， PLA/ZIF-8-6納纖膜的過(guò)濾效率上升到97.6%. PLA/ZIF-8-2和PLA/ZIF-8-4納纖膜的結(jié)果也具有類似的規(guī)律. 這可能是由于在過(guò)濾過(guò)程中的摩擦起電效應(yīng)使PLA/ZIF-8納纖膜表面產(chǎn)生更多電荷所致. 但隨后進(jìn)一步增加氣體流速到85 L/min時(shí)， 過(guò)濾效率又略微降低（97.1%）， 這可能是由于隨著分散液中ZIF-8含量進(jìn)一步增加， 纖維表面出現(xiàn)嚴(yán)重局部團(tuán)聚現(xiàn)象， 從而導(dǎo)致過(guò)濾效率降低［38］.

Fig.6 Filtration efficiency and air resistance of Pure PLA and PLA/ZIF-8 nanofibrous membranes for PM0.3The filtration efficiency and air resistance of each sample were obtained at airflow rates of 10 L/min（A）， 32 L/min（B），65 L/min（C） and 85 L/min（D）， respectively.

壓降是評(píng)價(jià)空氣過(guò)濾器性能的一個(gè)綜合參數(shù). 所有電紡膜的空氣阻力都隨著氣體流速的增加而呈線性增長(zhǎng)， 這與之前的研究結(jié)果相吻合［39］. 在相對(duì)高氣體流速下（85 L/min）， Pure PLA具有較高的空氣阻力（650.9 Pa）， 這會(huì)極大地影響佩戴的舒適性. 相比較而言， PLA/ZIF-8電紡膜的空氣阻力較低， 這可能是因?yàn)樵诶w維表面的納米顆粒改善了納米纖維的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)， 從而在一定程度上改善了空氣阻力. 但當(dāng)ZIF-8含量進(jìn)一步增加時(shí)， 纖維之間的孔隙有可能被堵塞， 此時(shí)空氣阻力又會(huì)上升.

以上結(jié)果表明， 與Pure PLA相比， 所制備的PLA/ZIF-8納纖膜具有高效低阻的性能.

2.2.2 過(guò)濾機(jī)理 進(jìn)一步分析了PLA/ZIF-8 納纖膜對(duì)細(xì)微顆粒物的截流機(jī)理（Scheme 3）. Pure PLA 纖維膜主要依靠機(jī)械過(guò)濾機(jī)制捕獲PM， 常見(jiàn)的機(jī)械過(guò)濾機(jī)制包括攔截作用、 慣性沉積和擴(kuò)散效應(yīng)等［40］，過(guò)濾效率提高十分有限. 相比較而言， PLA/ZIF-8納纖膜除機(jī)械過(guò)濾機(jī)制之外可能還具有以下多重過(guò)濾機(jī)制： （1） ZIF-8 晶體含有大量官能團(tuán)和未覆蓋的金屬吸附位點(diǎn)［41，42］， 將ZIF-8 錨定在纖維表面后能使PLA/ZIF-8納纖膜對(duì)PMs具有優(yōu)異的吸附能力； （2） ZIF-8表面不平衡的金屬離子和缺陷會(huì)提供正電荷， 使PM表面極化， 增強(qiáng)靜電相互作用， 從而增強(qiáng)PM0.3在PLA纖維表面的粘附力［43］.

3 結(jié)論

首先利用微波輔助法合成尺寸均一的ZIF-8 納米顆粒， 該方法具有效率高和能耗低等顯著特點(diǎn).進(jìn)一步通過(guò)靜電紡絲-靜電噴霧相結(jié)合的策略將ZIF-8納米顆粒錨定于PLA纖維表面， 實(shí)現(xiàn)了ZIF-8對(duì)PLA 纖維的表面功能化. 所得PLA/ZIF-8納纖膜具有高表面活性， 且力學(xué)性能和過(guò)濾性能均獲得不同程度的提升. 其中， PLA/ZIF-8-6 納纖膜的性能提升最顯著， 表面電勢(shì)可達(dá)5.9 kV， 相對(duì)介電常數(shù)（1.84）是Pure PLA纖維膜的近3倍. 更重要的是， 在不影響空氣阻力的前提下， 對(duì)PM0.3過(guò)濾效率明顯提高（增幅可達(dá)12.6%）. 這是由于將ZIF-8錨定于PLA纖維表面后提高了纖維表面粗糙度， 且ZIF-8具有豐富的官能團(tuán)和金屬吸附位點(diǎn)， 兼具高Zeta電位和高比表面積， 因此能充分發(fā)揮ZIF-8自身特性， 從而顯著提升納纖膜對(duì)PM0.3的過(guò)濾性能.