口罩类个人防护用品在应对恶劣空气环境(颗粒污染物、花粉、飞絮、毒害气体等)，以及阻断病菌气溶胶飞沫传播中发挥了重要作用。传统口罩的中间过滤层PP熔喷布因其纤维直径较粗(微米量级)，在提高空气过滤性能上存在瓶颈。此外，口罩的多孔结构及适合的温湿条件为附着其上的有害微生物提供了增殖“温床”，处理不当会引发二次污染。因此，研发具有高过滤效率、低呼吸阻力、优异抗菌防病毒功能的新型空气过滤膜极为必要。
近日，河南大学孙磊教授团队在Separation and Purification Technology上发表了题为“Preparation of PAN/SiO2/CTAB Electrospun Nanofibrous Membranes for Highly Efficient Air Filtration and Sterilization”的研究成果。研究者以聚丙烯腈（PAN）为聚合物基体，二氧化硅（SiO2）为驻极体，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为抗菌剂，采用原位共混法，通过静电纺丝技术制备了PAN/SiO2/CTAB纳米纤维膜。
采用多种现代分析手段表征了纳米纤维膜的形貌和结构，在颗粒物过滤效率测试台上评价了过滤效率、气流阻力（压降）和品质因子，通过琼脂扩散法，浊度法和吸收法研究了其抗菌性能（图1）。
图1 PAN/SiO2/CTAB静电纺丝纳米纤维膜的制备及其空气过滤与抗菌性能示意图。
SEM和AFM图像表明（图2），纯PAN纳米纤维直径均匀，表面光滑；其平均粗糙度（Ra）为464 nm。将SiO2掺入PAN后，PAN/SiO2纳米纤维膜的Ra升至569 nm；纳米纤维形态发生了显著变化，纤维表面不再平整，而是有很多纳米级凸起。SiO2驻极体的掺杂，增加了纳米纤维表面的电负性，有利于通过静电吸附作用捕获空气中带正电的颗粒物污染；另一方面进一步增大了纳米纤维膜的比表面积，减小了纤维膜的孔径，有利于拦截小粒径的颗粒物。
图2 纯PAN (a, d)、PAN/SiO2-8 (b, e)和PAN/SiO2/CTAB-6 (c, f) 纳米纤维膜的SEM和AFM图像。
纳米纤维膜的空气过滤性能如图3所示，纯PAN纳米纤维膜的基重（代表薄膜厚度）为1.5 g/m2时，过滤效率达到90 %；压降为58 Pa，且尚未开始显著增加；此时的综合过滤性能指标（品质因子）相对最高，达0.04 Pa−1，由此确定了影响膜厚的最佳纺丝时间为30 min。而PAN 纳米纤维中掺入驻极体SiO2之后，过滤效率显著提升。当SiO2与PAN质量比为8 %时，过滤效率高达99.3 %。可见SiO2驻极体的加入，起到了富集电荷、捕捉颗粒物的作用；使得纤维膜在拥有高过滤效率的同时，也具备低气流阻力（压降仅为76 Pa,远低于行业标准的最大限值~320 Pa），在32 L/min的流速下测得品质因子高达0.06 Pa−1。
图3 纯PAN纳米纤维膜的过滤效率和压降（a）、品质因子（b）随基重的变化曲线，复合PAN纳米纤维薄膜的过滤效率、压降（c）和品质因子（d）的柱状图。
容尘量或使用寿命是过滤材料的另一个重要性能指标，间隔4 h测试一次的耐久性实验表明，与纯PAN纳米纤维相比，所制备的PAN/SiO2/CTAB表现出良好的过滤长效性，在48 h循环通风测试后，其过滤效率下降幅度仅有2 %（图4）。
图4 PAN和PAN/SiO2/CTAB纳米纤维膜48 h耐久性测试实验过滤效率（a）、压降（b）和品质因子（c）的变化柱状图。
此外，优秀的空气过滤膜还应具备透气性和机械强度。本研究通过简单的透气性测试（图5）和手动拉伸实验（图6），证实了PAN/SiO2/CTAB透气性良好，并且具有一定的抗拉伸强度。结合电纺丝薄膜具有柔性、自支撑性、大比表面积和高孔隙率等优势，可满足空气过滤层的应用要求。
图5 水滴在PAN (a)、PAN/SiO2-8 (b)、PAN/SiO2/CTAB-6 (c)纳米纤维膜上完全铺展照片；PAN/SiO2/CTAB-6纳米纤维膜透气性照片(d)。
图6 PAN/SiO2/CTAB-6纳米纤维膜手动拉伸实验延展性照片：(a) 拉伸前，（b）拉伸中间状态，(c) 最大拉伸量。
对于抗菌功能的引入，本研究选用CTAB作为抗菌剂，因为它相对于纳米Ag生物安全性更好。另一个原因则在于CTAB表面带正电荷，便于修饰掺杂电负性的PAN，也有利于与表面带负电荷的细菌吸附，穿透细胞膜，使细胞内DNA损伤或蛋白变性。图7所示的抗菌实验结果表明，PAN中掺入CTAB后，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）均呈现出明显的抑制作用，并且PAN/SiO2/CTAB纳米纤维膜对E. coli的抗菌作用更为显著，由吸收法测得该纤维膜的抑菌率 > 99 %，显示出优异的抑菌效果。
图7 大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)的抑制圈照片，不同纳米纤维膜的抑制圈直径(c)和纤维膜作用后细菌悬浮液在600 nm吸收峰处的紫外-可见吸光度。
综上所述，本研究制备出的PAN/SiO2/CTAB纳米纤维膜过滤效率高，气流阻力低，透气性良好，使用寿命长，并具有优异的抗菌性能，有望开发成为一种新型的空气过滤膜，用于吸附和去除空气中的超细颗粒污染物，杀灭和阻断气溶胶中细菌和病毒的传播。
通讯作者：孙磊，河南大学纳米材料工程研究中心教授，博士生导师。1998年本科毕业于河南大学化学化工学院，2001年硕士毕业并留校任教，2005年在中国科学院兰州化学物理研究所获得博士学位。曾在日本长崎大学、美国加利福尼亚大学河滨分校、美国南达科他大学访学。2013年任职教授。研究方向包括纳米抗菌材料、纳米药物递送系统、静电纺丝纳米纤维膜（医用敷料、SERS基底、油水分离、空气过滤），主持完成1项国家自然科学基金和8省部级科研课题。在ACS Appl Mater Interfaces, Sensor Actuat B-Chem, Surf Coat Tech等期刊发表SCI论文86篇，他引1400余次。为Nano Lett，Adv Healthc Mater等40余种国内外期刊的同行审稿人，是教育部学位论文监测评审专家及多省市科技厅的项目/奖励评审专家。
https://orcid.org/my-orcid?orcid=0000-0002-8112-2055
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第一作者：崔俊艳，本科毕业于信阳师范大学，现为河南大学纳米材料工程研究中心在读硕士研究生，师从孙磊教授。课题方向为静电纺丝空气过滤膜，目前已在Separation and Purification Technology（中科院1区，IF=9.136）发表论文1篇。
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