小分子互助机制助力轻量化，实现全生物基高性能抗菌空气过滤

摘要：高性能空气过滤膜的功能化和轻量化可以显著提高呼吸防护装备的综合效益，但通过绿色制造方法实现这一目标仍然具有挑战性。天然小分子是一类绿色环保材料，不仅可降解、可再生，还因多数具有抗菌、抗紫外线等功能，成为实现膜功能化的优选材料；具有粗、细纤维双峰分布特征的电纺纳

厦门大学郑高峰&福州大学邵尊桂：小分子互助机制助力轻量化，实现全生物基高性能抗菌空气过滤

高性能空气过滤膜的功能化和轻量化可以显著提高呼吸防护装备的综合效益，但通过绿色制造方法实现这一目标仍然具有挑战性。天然小分子是一类绿色环保材料，不仅可降解、可再生，还因多数具有抗菌、抗紫外线等功能，成为实现膜功能化的优选材料；具有粗、细纤维双峰分布特征的电纺纳米纤维膜是实现轻量化、高性能空气过滤的重要途径。然而，目前仍缺乏利用天然小分子制备功能化轻质空气过滤膜的有效策略，这在一定程度上限制了先进防护装备的绿色制造。

近日，厦门大学郑高峰教授与福州大学邵尊桂副研究员合作，在可持续发展与清洁生产领域期刊《Journal of Cleaner Production》，发表了题为“Green electrospinning fully bio-based lightweight nanofibrous membrane for high-performance and antibacterial air filtration via small molecule mutual support mechanism”的研究成果。本研究阐明了“小分子互助机制”，该机制允许电纺射流在离子型小分子高效负载的情况下具备良好可纺性与裂喷能力，从而可控构建双峰结构，成功指导了全生物基双峰纳米纤维膜的绿色电纺制造，以乙基纤维素（EC）/茶多酚（TP）/甜菜碱（BT）为原料实现高性能、轻量化、抗菌空气过滤。

图1：用于制备EC/TP/BT纳米纤维空气过滤膜的静电纺丝工艺示意图

该研究首先以小分子负载量与可纺性的关系为切入点。实验结果表明，BT的可负载量仅为1 wt%，且无法形成双峰结构；但当TP与BT共存时，BT的可负载量显著增加5倍（5 wt%），双峰结构更加显著。然而，这是在溶液粘度增大而电导率减小的情况下实现的，表明小分子对电纺射流行为的影响存在未知作用机制。

图2：不同含量和不同类型小分子的溶液粘度与电导率。

图3：不同含量和不同类型天然小分子的电纺纤维形貌。

通过揭示TP和BT对聚合链间滑移和链形变能力的影响，并结合电纺实验结果，提出了小分子对电纺射流行为的作用机制：良好的链形变能力对于可纺性的提升具有更为重要的作用，以BT为代表的离子型小分子具有较强的氢键形成能力，将强烈束缚聚合物链并削弱链形变能力，导致可纺性恶化；而TP的氢键形成能力较弱，不会过多地削弱可纺性。此外，更多地添加TP将保护聚合物链免受BT的束缚，从而支持BT更高负载下的可纺性，在这种情况下，BT 中的大量阳离子促进了射流劈裂，促进双峰纤维的形成。以上作用称为“小分子互助机制”。

图4：不同溶液系统的模型和流动性分析。

通过傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和差示扫描量热法(DSC)、证明了TP和BT组分之间的相互作用增强，同时兼容性也得到了改善。热重分析(TGA)、应力应变实验结果表明，TP和BT的引入有效提高了膜的稳定性和机械性能，从而显著提高了膜的环境适应性。

图5：不同类型纤维膜的FTIR、XRD、DSC、TGA、应力应变测试结果。

EC/TP/BT 纳米纤维膜得益于超细纤维 (

图6：不同纤维膜的空气过滤性能和抗菌能力对比。

该研究提出了基于“小分子互助机制”的材料匹配策略，有效指导了天然小分子的电纺应用，有助于推动先进防护装备的绿色制造。

论文链接：

人物简介：

邵尊桂（通讯作者）：

福州大学机械工程及自动化学院副研究员，工学博士。以第一/共一/通讯作者在ACS Applied Materials & Interfaces, Separation and Purification Technology, Science of the Total Environment等期刊发表SCI论文16篇，主要从事聚合物材料电纺成纤过程调控及其过滤、医疗、储能等领域应用。获中国发明协会发明创业奖创新奖1项。

郑高峰（第一作者）：

厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院教授、博士研究生导师，科学仪器所所长；仪器与电气系副主任。

主要从事微纳喷印、智能检测传感、柔性电子集成等领域的研究工作。

福建省杰出青年基金获得者，福建省高层次人才，厦门市“双百计划”领军型创业人才；作为第一完成人获福建省科技进步奖二等奖、厦门市科技进步奖二等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖各1项。发表 SCI、EI收录学术论文160余篇，作为第一发明人获授权发明专利40余件，实用新型专利30余件，出版专著1本，参与撰写著作专章3篇。主持有国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、福建省产学研究重点项目、福建省自然科学基金等纵向课题30余项。

近年来，郑高峰教授团队及其合作者已围绕电纺高性能空气过滤膜发表了一系列创新研究并整理综述2篇，涵盖了高性能空气过滤机制研究、纤维膜的双峰结构调控、生物基材料适配策略开发等方面，致力于推进高性能空气过滤膜的绿色制造：

电纺射流劈裂增强响应策略及其高性能抗菌空气过滤应用

ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14(16): 18989-19001. doi.org/10.1021/acsami.2c04700

高性能、多功能电纺空气过滤膜与高性能空气过滤机制综述

Separation and Purification Technology, 2022, 302: 122175.

doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122175

双峰纤维膜的表征与低电导率制备方法

Materials Today Communications, 2023, 34: 105014.

doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.105014

液态小分子与醋酸纤维素的适配策略及其高性能抗菌驱蚊空气过滤应用

Separation and Purification Technology, 2023, 327: 124920.

doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124920