韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
先進材料與化學工程，科技大學 (UST)，大田，34113 大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
先進材料與化學工程，科技大學 (UST)，大田，34113 大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
先進材料與化學工程，科技大學 (UST)，大田，34113 大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
先進材料與化學工程，科技大學 (UST)，大田，34113 大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
先進材料與化學工程，科技大學 (UST)，大田，34113 大韓民國
韓國化學技術研究院 (KRICT) 生物基化學研究中心，蔚山，44429，大韓民國
先進材料與化學工程，科技大學 (UST)，大田，34113 大韓民國
使用下面的鏈接與您的朋友和同事分享本文的全文版本。了解更多。
由于冠狀病毒大流行和空氣中顆粒物 (PM) 的相關問題，對口罩的需求呈指數級增長。然而，傳統的基於靜電和納米篩的口罩過濾器都是一次性的、不可降解或可回收的，這會造成嚴重的浪費問題。另外，前者在潮濕條件下會失去其功能，而後者會在氣壓顯著下降的情況下運行，並且會較快地發生孔隙堵塞。這裡開發出了一種可生物降解、防潮、高透氣、高性能的纖維口罩過濾器。簡而言之，將兩種可生物降解的超細纖維和納米纖維墊集成到Janus膜過濾器中，然後塗上帶陽離子的殼聚醣納米晶須。該過濾器與商用 N95 過濾器一樣高效，可去除 98.3% 的 2.5 µm PM。納米纖維物理篩選細小顆粒，超細纖維提供59帕的低壓差，適合人體呼吸。與商用N95過濾器暴露在潮濕環境中性能急劇下降相反，這種過濾器的性能損失可以忽略不計，因此可以多次使用，因為殼聚醣的永久偶極子可以吸附超細PM（例如氮氣）。和硫氧化物）。重要的是，該過濾器必須在 4 週內在堆肥土壤中完全分解。
當前前所未有的冠狀病毒大流行（COVID-19）正在推動對口罩的巨大需求。[1] 世界衛生組織(WHO)估計，今年每月需要8900萬個醫用口罩。[1] 不僅醫護人員需要高效的N95口罩，全民通用口罩也成為預防這種呼吸道傳染病不可或缺的日常裝備。[1]此外，相關部委強烈建議每天使用一次性口罩，[1]這導致了與大量口罩廢棄物相關的環境問題。
由於顆粒物（PM）是目前最嚴重的空氣污染問題，口罩已成為個人最有效的應對措施。PM根據粒徑分為PM2.5和PM10（分別為2.5和10μm），從多方面嚴重影響自然環境[2]和人類生活質量。[2] 每年，PM 導致 420 萬人死亡和 1.031 億傷殘調整生命年。[2] PM2.5 對健康構成特別嚴重的威脅，被官方指定為 I 類致癌物。[2]因此，研發一種在透氣性和PM去除方面高效的口罩過濾材料是及時且重要的。[3]
一般來說，傳統的纖維過濾器以兩種不同的方式捕獲PM：基於納米纖維的物理篩分和基於微纖維的靜電吸附（圖1a）。事實證明，基於納米纖維的過濾器，特別是靜電紡納米纖維墊的使用是去除顆粒物的有效策略，這是廣泛的材料可用性和可控產品結構的結果。[3] 納米纖維墊可以去除目標尺寸的顆粒，這是由顆粒和孔隙之間的尺寸差異引起的。[3]然而，納米級纖維需要密集堆疊以形成極小的孔隙，由於相關的高壓差，這不利於人體呼吸的舒適。另外，小孔不可避免地會相對較快地被堵塞。
另一方面，熔噴超細纖維氈通過高能電場產生靜電，通過靜電吸附捕獲非常小的顆粒。[4] 作為一個代表性的例子，N95呼吸器是一種顆粒過濾式面罩呼吸器，符合美國國家職業安全與健康研究所的要求，因為它可以過濾至少95%的空氣顆粒物。這種類型的過濾器通過強靜電吸引力吸收超細顆粒物，這些顆粒物通常由陰離子物質如SO42−和NO3−組成。然而，纖維氈表面的靜電荷在潮濕的環境中很容易消散，例如在潮濕的人類呼吸中[4]，導致吸附能力下降。
為了進一步提高過濾性能或解決去除效率和壓降之間的權衡，基於納米纖維和微纖維的過濾器與高k材料相結合，例如碳材料、金屬有機框架和PTFE納米粒子。[4] 然而，這些添加劑不確定的生物毒性和電荷耗散仍然是不可避免的問題。[4] 特別是，這兩類傳統過濾器通常是不可降解的，因此它們在使用後最終會被掩埋在垃圾填埋場或焚燒。因此，開發改進的口罩過濾器來解決這些廢物問題，同時以令人滿意且有效的方式捕獲 PM 是當前的重要需求。
為了解決上述問題，我們製造了一種集成聚丁二酸丁二醇酯（PBS 基）[5] 微纖維和納米纖維墊的 Janus 膜過濾器。Janus 膜過濾器塗有殼聚醣納米晶須 (CsWs) [5]（圖 1b）。眾所周知，PBS是一種具有代表性的生物可降解聚合物，可以通過靜電紡絲生產超細纖維和納米纖維非織造布。納米級纖維以物理方式捕獲 PM，而微米級納米纖維則減少壓降並充當 CsW 框架。殼聚醣是一種生物基材料，已被證明具有良好的生物特性，包括生物相容性、生物可降解性和相對較低的毒性[5]，可以減少使用者因意外吸入而產生的焦慮。[5]此外，殼聚醣具有陽離子位點和極性酰胺基團。[5]即使在潮濕條件下，也能吸引極性超細顆粒物（如SO42-和NO3-）。
在這裡，我們報告了一種基於現成的可生物降解材料的可生物降解、高效、防潮、低壓降的口罩過濾器。由於物理篩分和靜電吸附的結合，CsW塗層的微纖維/納米纖維一體化過濾器具有很高的PM2.5去除效率（高達98%），同時，最厚過濾器上的最大壓降為只有59帕，適合人類呼吸。與 N95 商用過濾器表現出的顯著性能下降相比，由於永久的 CsW 電荷，即使在完全濕潤的情況下，該過濾器的 PM 去除效率損失也可以忽略不計 (<1%)。此外，我們的過濾器可在 4 週內在堆肥土壤中完全生物降解。與具有類似概念的其他研究相比，其中過濾器部分由可生物降解材料組成，或者在潛在的生物聚合物非織造布應用中表現出有限的性能，[6]該過濾器直接顯示了先進功能的生物降解性（電影S1，支持信息）。
首先製備納米纖維和超細纖維PBS墊作為Janus膜過濾器的組件。因此，由於粘度的差異，11%和12%的PBS溶液被電紡絲分別生產納米和微米纖維。[7] 溶液特性和最佳靜電紡絲條件的詳細信息列於支持信息中的表 S1 和 S2 中。由於初紡纖維仍含有殘留溶劑，因此在典型的靜電紡絲裝置中添加了額外的水凝固浴，如圖2a所示。此外，水浴還可以使用框架來收集凝固的純PBS纖維墊，這與傳統設置中的固體基質不同（圖2b）。[7] 超細纖維和納米纖維墊的平均纖維直徑分別為2.25和0.51微米，平均孔徑分別為13.1和3.5微米（圖2c，d）。由於 9:1 氯仿/乙醇溶劑從噴嘴釋放後迅速蒸發，11 和 12 wt% 溶液之間的粘度差異迅速增加（圖 S1，支持信息）。[7]因此，僅1wt%的濃度差即可引起纖維直徑的顯著變化。
在檢查過濾器性能之前（圖S2，配套信息），為了合理比較各種過濾器，製作了標準厚度的靜電紡非織造布，因為厚度是影響過濾器性能壓差和過濾效率的重要因素。由於非織造布柔軟且多孔，因此很難直接測定靜電紡非織造布的厚度。織物的厚度一般與表面密度（單位面積重量，基重）成正比。因此，在本研究中，我們使用基重（gm-2）作為厚度的有效衡量標準。[8]通過改變靜電紡絲時間來控制厚度，如圖2e所示。隨著紡絲時間從1分鐘增加到10分鐘，超細纖維墊的厚度分別增加到0.2、2.0、5.2和9.1 gm-2。以同樣的方式，納米纖維墊的厚度分別增加到0.2、1.0、2.5和4.8 gm-2。超細纖維和納米纖維墊以其厚度值（gm-2）指定為：M0.2、M2.0、M5.2和M9.1，以及N0.2、N1.0、N2.5和N4。 8.
整個樣品的氣壓差（ΔP）是過濾器性能的重要指標。[9] 通過高壓降的過濾器呼吸對於用戶來說是不舒服的。當然，可以觀察到壓降隨著過濾器厚度的增加而增加，如圖 S3 所示，支持信息。在相當的厚度下，納米纖維墊（N4.8）顯示出比微纖維（M5.2）墊更高的壓降，因為納米纖維墊具有更小的孔隙。當空氣以0.5至13.2 ms-1之間的速度通過過濾器時，兩種不同類型過濾器的壓降逐漸從101 Pa增加至102 Pa。應優化厚度以平衡壓降和PM去除效率;1.0 ms-1 的風速是合理的，因為人類通過嘴呼吸所需的時間約為 1.3 ms-1。[10]就此而言，M5.2和N4.8在風速為1.0 ms-1（小於50 Pa）時的壓降是可以接受的（圖S4，支持信息）。請注意，N95 和類似韓國過濾標準 (KF94) 口罩的壓降分別為 50 至 70 Pa。進一步的CsW加工和微/納米過濾器集成可以增加空氣阻力；因此，為了提供壓降裕度，我們在分析M5.2和N4.8之前分析了N2.5和M2.0。
在目標風速為 1.0 ms-1 時，研究了 PBS 微纖維和納米纖維墊在不帶靜電荷的情況下對 PM1.0、PM2.5 和 PM10 的去除效率（圖 S5，支持信息）。據觀察，PM 去除效率通常隨著厚度和 PM 尺寸的增加而增加。N2.5由於其孔徑較小，去除效率優於M2.0。M2.0對PM1.0、PM2.5和PM10的去除效率分別為55.5%、64.6%和78.8%，而N2.5的相似值分別為71.9%、80.1%和89.6%（圖2f）。我們注意到，M2.0和N2.5的效率差異最大的是PM1.0，這表明超細纖維網的物理篩分對於微米級PM有效，但對於納米級PM無效（圖S6，支持信息）。、M2.0和N2.5均表現出低於90%的低PM捕獲能力。另外，N2.5可能比M2.0更容易受到灰塵的影響，因為灰塵顆粒很容易堵塞N2.5較小的孔隙。在沒有靜電荷的情況下，物理篩分同時達到所需壓降和去除效率的能力受到限制，因為它們之間存在權衡關係。
靜電吸附是最廣泛使用的高效捕獲 PM 的方法。[11]一般是通過高能電場將靜電荷強制施加到無紡布過濾器上；然而，這種靜電荷在潮濕條件下很容易消散，導致PM捕獲能力喪失。[4] 作為用於靜電過濾的生物基材料，我們推出了長200 nm、寬40 nm的CsW；由於它們的銨基團和極性酰胺基團，這些納米晶須含有永久的陽離子電荷。CsW表面可用的正電荷用其zeta電位（ZP）表示；CsW 分散在 pH 值為 4.8 的水中，其 ZP 為 +49.8 mV（圖 S7，支持信息）。
CsW 塗覆的 PBS 微纖維 (ChMs) 和納米纖維 (ChNs) 通過簡單浸塗在 0.2 wt% CsW 水分散體中製備，該濃度是將最大量的 CsW 附著到 PBS 纖維表面的適當濃度，如圖所示圖如圖3a和圖S8所示，支持信息。氮能色散X射線光譜（EDS）圖像顯示PBS纖維的表面均勻地塗覆有CsW顆粒，這在掃描電子顯微鏡（SEM）圖像中也很明顯（圖3b；圖S9，支持信息） 。此外，這種塗層方法可以使帶電納米材料精細地包裹纖維表面，從而最大限度地提高靜電 PM 去除能力（圖 S10，支持信息）。
研究了 ChM 和 ChN 的 PM 去除效率（圖 3c）。M2.0和N2.5用CsW包被，分別產生ChM2.0和ChN2.5。ChM2.0對PM1.0、PM2.5和PM10的去除效率分別為70.1%、78.8%和86.3%，而ChN2.5的相似值分別為77.0%、87.7%和94.6%。CsW塗層極大地提高了M2.0和N2.5的去除效率，並且對於稍小的PM觀察到的效果更顯著。特別是，殼聚醣納米晶須對M2.0的PM0.5和PM1.0的去除效率分別提高了15%和13%（圖S11，支持信息）。儘管M2.0因其相對較寬的原纖維間距而難以排除較小的PM1.0（圖2c），但ChM2.0吸附PM1.0是因為CsW中的陽離子和酰胺通過離子-離子、耦合極-離子相互作用，以及與灰塵的偶極-偶極相互作用。由於其 CsW 塗層，ChM2.0 和 ChN2.5 的 PM 去除效率與較厚的 M5.2 和 N4.8 一樣高（表 S3，支持信息）。
有趣的是，雖然PM去除效率大大提高，但CsW塗層幾乎不影響壓降。ChM2.0 和 ChN2.5 的壓降略有增加，分別達到 15 和 23 Pa，幾乎是 M5.2 和 N4.8 觀察到的增加量的一半（圖 3d；表 S3，支持信息）。因此，生物基材料塗層是滿足兩種基本過濾器性能要求的合適方法；也就是說，PM去除效率和氣壓差是互斥的。但ChM2.0和ChN2.5對PM1.0和PM2.5的去除效率均低於90%；顯然，這個性能還有待提高。
由多個纖維直徑和孔徑逐漸變化的膜組成的集成過濾系統可以解決上述問題[12]。一體式空氣過濾器綜合了納米纖維和超細纖維網兩種不同的優點。在這方面，ChM 和 ChN 簡單地堆疊以產生集成濾波器（Int-MN）。例如，使用ChM2.0和ChN2.5製備Int-MN4.5，並將其性能與具有相似面密度(即厚度)的ChN4.8和ChM5.2進行比較。在PM去除效率實驗中，Int-MN4.5的超細纖維面暴露在多塵的房間中，因為超細纖維面比納米纖維面更耐堵塞。如圖4a所示，Int-MN4.5比兩個單組件過濾器表現出更好的PM去除效率和壓差，壓降為37 Pa，與ChM5.2相似，遠低於ChM5.2 ChN4。8. 此外，Int-MN4.5的PM1.0去除效率為91%（圖4b）。另一方面，ChM5.2 沒有表現出如此高的 PM1.0 去除效率，因為它的孔徑比 Int-MN4.5 的孔徑大。
發佈時間: 十一月 03-2021
