高效低阻聚丙烯腈/石墨烯納米纖維膜的制備及其抗菌性能

余改麗， 張弘楠， 張嬌嬌， 左曉飛， 覃小紅

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 上海市微納米紡織重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

高效低阻聚丙烯腈/石墨烯納米纖維膜的制備及其抗菌性能

余改麗1,2， 張弘楠1,2， 張嬌嬌1,2， 左曉飛1,2， 覃小紅1,2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 上海市微納米紡織重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

為了提高聚丙烯腈(PAN)基材料的過濾性能，采用靜電紡絲的方法制備了含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯的PAN/石墨烯納米纖維復(fù)合材料。并對復(fù)合材料的過濾效果及抗菌性能進(jìn)行研究，探討氣流量及孔徑分布對過濾效果的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)氧化石墨烯(GO)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時，紡制的纖維平均直徑為103 nm，復(fù)合膜的過濾性能最好；納米復(fù)合材料的過濾效率隨氣流量的增加而減小，孔徑尺寸分布在1.3～1.7 μm之間時最有利于過濾效率的提高；當(dāng)GO和還原性氧化石墨烯(rGO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.3%時，PAN/GO納米復(fù)合材料比PAN/rGO納米復(fù)合材料的過濾性能好，PAN/GO和PAN/rGO納米復(fù)合材料對大腸桿菌的抑菌率分別為32.4%和40.5%，對金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為45.8%和56.7%。

高效低阻； 聚丙烯腈； 石墨烯； 過濾性能； 抗菌性能

目前環(huán)境污染已引起人們的廣泛關(guān)注，帶動了過濾材料的研究。用靜電紡技術(shù)制作空氣過濾材料有較多文獻(xiàn)報道。過濾效率和過濾阻力是過濾材料的2個最重要的參數(shù)，這2個參數(shù)之間卻是矛盾的。1種好的過濾材料應(yīng)該具有較高的過濾效率和較低的過濾阻力。

針對如何提高過濾效率，Maze等[1]模擬了三維納米濾膜結(jié)構(gòu)(纖維直徑小于200 nm)，發(fā)現(xiàn)納米膜越厚過率效率越高，最有效的過濾顆粒直徑為100～200 nm，當(dāng)纖維的直徑變小的時候，最有效的過濾顆粒直徑也會變小。Sambaer等[2-4]模擬了一個更加接近真實(shí)的三維納米纖維膜結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)顆粒與纖維之間的摩擦因數(shù)是影響過濾效率的主要因素，尤其是對于直徑小于200 nm的過濾顆粒，通過改性處理增加纖維的摩擦因數(shù)可提高其過濾效率，但針對如何降低過濾阻力的研究較少。

通過增加納米膜厚度雖然會提高濾膜的過濾效率，相應(yīng)的也會造成過濾阻力的增加。而通過改性處理增加纖維的摩擦因數(shù)可提高其過濾效率，但是工藝比較復(fù)雜，而且也會引起其他性能的變化。而石墨烯的比表面積高、導(dǎo)熱性和力學(xué)性能突出、電子傳遞性能優(yōu)異，并具有一定的抗菌活性[5-6]。把石墨烯作為添加物，希望能夠使納米膜的過濾性能有所改變，并能使納米膜具有一定的抗菌性。

目前抗菌劑主要分為無機(jī)、有機(jī)和天然生物抗菌劑3大類型。無機(jī)抗菌材料具有耐熱性、持久性、連續(xù)性和安全性等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也比較明顯，如銀系抗菌劑，防霉作用較弱、添加量較大、成本較高、易變色等缺點(diǎn)。有機(jī)抗菌劑則殺菌力強(qiáng)，效果好，種類多，缺點(diǎn)是毒性大，耐熱性較差，易遷移，可能產(chǎn)生微生物耐藥性等。生物類抗菌劑資源開發(fā)潛力巨大，但目前對植物天然抗菌劑的開發(fā)還剛剛起步,對其抗菌機(jī)制的研究有待深入。石墨烯的抗菌性強(qiáng)[5]，對人體無害[7]，來源廣泛可降低成本。而且還可以附加石墨烯的其他功能。文獻(xiàn)[8]研究了氧化石墨烯(GO)的抗菌性，當(dāng)GO的質(zhì)量濃度為45 mg/L時，大腸桿菌的抑菌率為51.9%，金黃色葡萄球的抑菌率為61.3%。Verdejo等[9]將制備的氧化石墨置于300 ℃下，熱解制備出氧化石墨烯，將其與桂樹脂復(fù)合制成多孔復(fù)合材料。

本文以石墨烯為填充物，利用靜電紡制備聚丙烯腈/石墨烯納米復(fù)合纖維材料。研究了石墨烯的添加量對PAN納米纖維的形貌、過濾性能以及抗菌性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與試劑

實(shí)驗(yàn)過程中所需要的主要化學(xué)藥品及試劑：聚丙烯腈(PAN，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；N,N-二甲基甲酰胺(DMF，分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)；營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基(NA)、營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基(NB)，均來自杭州微生物試劑有限公司；氧化石墨烯(GO)，還原性氧化石墨烯(rGO)，去離子水(H2O)，均為實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本文采用自行設(shè)計(jì)發(fā)明的傘狀靜電紡絲裝置[10]。84-1A磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；MS105DU電子天平，梅特勒托利多公司；JSM-5600LV掃描電子顯微鏡日本JEOL公司；TSI8130自動濾料測試儀，美國TSI公司；YG141N數(shù)字式織物厚度儀南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；Porometer3G孔徑分析儀美國康塔儀器公司；MIX-28試管振蕩器杭州米歐儀器；LDZX-50FBS高壓滅菌鍋上海申安醫(yī)療器械廠；THZ-100恒溫培養(yǎng)搖床上海一恒科學(xué)儀器有限公司；SW-CJ-ID超凈工作臺蘇州凈化設(shè)備有限公司；SPX-80B-II恒溫培養(yǎng)箱上海賀德實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司；DS-2510超聲波清洗器上海生析超聲儀器有限公司；移液槍(10 μL、1 000 μL，德國Eppendorf公司)。玻璃儀器如，錐形瓶、燒杯、培養(yǎng)皿、10 mL離心管、玻璃瓶、試管、量筒、接種棒、酒精燈及槍頭若干。1.3 復(fù)合納米纖維膜的制備

稱取一定量的PAN粉末加入到DMF中，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的溶液并攪拌8 h至溶液混合均勻，配置PAN紡絲溶液；稱取一定量的GO，分散在DMF中，超聲處理2 h，再稱取一定量的PAN粉末加入到混合溶液中，PAN與DMF的質(zhì)量比為1∶9。其中GO分別占PAN質(zhì)量的0、0.01%、0.10%、0.30%、0.50%、0.70%、1.00%和2.00%。攪拌8 h至溶液混合均勻，配置PAN/GO靜電紡絲溶液。用同樣的方法配置PAN/rGO靜電紡絲溶液。紡絲條件：接收裝置接地，接收裝置與針頭間的距離為20 cm，紡絲電壓為65 kV，紡絲時間為12 min，制備不同類型復(fù)合納米纖維膜，根據(jù)GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，(PAN/GO復(fù)合材料編號為0、1、2、3、4、5、6、7)。

1.4 形貌觀察與性能測試

形貌觀察：對靜電紡得到的納米膜剪取試樣，進(jìn)行噴金處理約90 s后，采用掃描電鏡對纖維膜表面形貌進(jìn)行觀察。用Photoshop軟件在SEM圖中隨機(jī)選取100根纖維測量纖維直徑分布。測試條件為：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5)%。

過濾性能：采用TSI 8130型自動濾料測試儀測試復(fù)合材料的氣體過濾性能，將復(fù)合材料裁成14 cm×14 cm的圓形，氣溶膠顆粒直徑約為75 nm，氣體流速采用85 L/min。

式中：η為過濾效率；△P為濾阻；Qf值[11]是評價過濾效果的綜合指標(biāo)，Qf值越大，過濾效果越好，反之，過濾效果越差。測試條件為：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5)%。

厚度測試：采用YG141N數(shù)字式纖維厚度儀對納米膜進(jìn)行測試。測試條件為：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5)%。

孔徑測試：采用Porometer3G型孔徑儀測試納米膜孔徑大小和分布。測試條件為：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5)%。

抗菌性：參照GB/20944.1—2007《紡織品抗

菌性能的評價 第一部分：瓊脂平皿擴(kuò)散法》及標(biāo)準(zhǔn)GB/20944.3—2008《紡織品抗菌性能的評價 第三部分：振蕩法》，對復(fù)合材料進(jìn)行定性檢測。測試條件為：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5)%。

2 結(jié)果與分析

2.1 形貌表征與分析

圖1示出含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)GO的PAN納米復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片及其直徑分布圖。圖2示出PAN/GO復(fù)合纖維的平均直徑圖。圖3示出不同類型復(fù)合纖維的平均直徑。由圖1～3可知：GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.30%時，PAN/GO靜電紡膜的平均直徑為103 nm，與其他樣品相比是最細(xì)的，是純PAN靜電紡纖維直徑的83.7%；其分布范圍為60～160 nm，比其他纖維的分布范圍更窄，純PAN靜電紡纖維直徑分布范圍為60～200 nm。當(dāng)GO和rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.3%時，PAN/GO納米復(fù)合材料比PAN/rGO納米復(fù)合材料和純PAN納米材料的直徑更均勻并且分布更加集中。

圖1 PAN/石墨烯復(fù)合材料的SEM照片及其直徑分布Fig.1 SEM images and diameter distribution of PAN/graphene

圖2 PAN/GO復(fù)合纖維的平均直徑Fig.2 PAN/GO composite fiber mean diameters

圖3 復(fù)合纖維的平均直徑Fig.3 Composite fiber mean diameter

2.2 過濾性能分析

圖4示出PAN/GO復(fù)合材料納米膜的過濾性能，圖5示出PAN/GO復(fù)合材料納米膜的厚度。3號樣品無論是過濾效率還是過濾阻力均較低，是由于其厚度太薄的緣故[1]。由圖4可知，4號樣品的過濾效果最好，即GO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%時，PAN/GO靜電紡膜的過濾效果最好。比純PAN靜電紡膜的濾效提高了0.55%，濾阻下降了12.8%。Qf值增大了28.19%。GO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在小于1.00%范圍內(nèi)，PAN/GO納米膜，與純PAN靜電紡膜相比，過濾效率的變化范圍為-0.56%～0.55%，沒有明顯的趨勢，同時變化并不顯著；而濾阻的變化范圍則為8.12%～20.9%，而且是逐漸變小,因此，可以認(rèn)為，一定量的GO能提高PAN納米膜的過濾效果，主要是使其濾阻降低，可能是因?yàn)榧尤氲腉O改變了純PAN材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。GO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30 %時，PAN/GO納米膜的過濾效果最好。

圖4 PAN/GO納米復(fù)合膜的過濾性能Fig.4 Filtration preformance of PAN/GO nanofiber membrane(a) Filtration efficiency-filtration resistance; (B) Qf Value

圖5 PAN/GO納米膜的厚度Fig.5 Thickness of PAN/GO nanofiber membranes

表1示出納米復(fù)合材料的過濾性能指標(biāo)。由表可知，當(dāng)GO和rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.30%時，PAN/GO納米復(fù)合材料比純PAN材料和PAN/rGO納米膜的的過濾效果好。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，加入GO和rGO改變了純PAN材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又因GO和rGO的不同，使得PAN/GO納米膜比PAN/rGO納米膜更有利于過濾。由于厚度變化較小，故忽略厚度的影響。

表1 復(fù)合材料的過濾性能Tab.1 Filtration preformance of composite fiber

圖6示出PAN/GO復(fù)合納米膜的氣流量與過濾效率關(guān)系圖。圖7示出PAN、PAN/GO和PAN/rGO復(fù)合納米膜材料的氣流量與過濾效率圖，其中氣流量是在壓力為200 Pa下測得的。由圖6可知，GO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～2%范圍內(nèi)，PAN/GO復(fù)合納米膜的過濾效率隨著其氣流量的增加而減小。從圖7可看出，當(dāng)GO和rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在0.30%范圍內(nèi)，PAN/GO納米膜，純PAN材料以及PAN/rGO納米復(fù)合材料的過濾效率均是隨著其氣流量的增加而減小。這是由于氣流量越小，顆粒在過濾介質(zhì)中滯留的時間越長，顆粒有更多的機(jī)會碰撞纖維，使得被纖維捕捉的機(jī)會更多，同時推動顆粒脫離捕捉纖維的力量降低，所以過濾效率最高。隨著氣流量增大，顆粒跟隨氣流運(yùn)動的慣性作用也越大，攔截效應(yīng)減弱，最終導(dǎo)致過濾效率減緩[12]。

圖6 PAN/GO納米復(fù)合材料的氣流量-過濾效率圖Fig.6 Flow rate and filtration efficiency of PAN/GO nanocomposites

圖7 PAN，PAN/GO和PAN/rGO納米復(fù)合材料的氣流量-過濾效率圖Fig.7 Flow rate and filtration efficiency of PAN, PAN/GO, PAN/rGO nanocomposites

圖8示出PAN/GO復(fù)合納米膜的孔徑氣流分布與孔徑尺寸圖。PAN/GO納米膜的孔徑尺寸基本上分布在0.6～1.7 μm之間，過濾效率最高的PAN/GO納米膜的孔徑尺寸分布在1.3～1.7 μm之間，過濾效率最低的PAN/GO納米膜的孔徑尺寸分布在1.3～1.9 μm之間，過濾阻力最高的PAN/GO納米膜的孔徑尺寸分布在0.7～1.1 μm之間，綜合過濾效果最好的PAN/GO納米膜的孔徑尺寸分布在1.3～1.7 μm之間，因此，孔徑尺寸分布在1.3～1.7 μm之間最有利于過濾效率的提高；孔徑尺寸分布大于1.3～1.7 μm這個范圍，過濾效果顯著降低，當(dāng)孔徑尺寸分布在1.3～1.9 μm之間，過濾效率降低了9.07%，Qf值降低了20.75%；孔徑尺寸分布小于1.3～1.7 μm這個范圍，過濾阻力顯著增大，當(dāng)孔徑尺寸分布在0.7～1.1 μm之間，過濾阻力增加了47.01%，Qf值降低了21.99%。

圖8 PAN/GO納米復(fù)合材料的孔徑氣流分布與孔徑尺寸圖Fig.8 Percent flow and pore size of PAN/GO nanocomposite membranes

納米膜的孔徑尺寸和孔徑分布與纖維及添加的石墨烯有關(guān)，而纖維的質(zhì)量相同，故孔徑尺寸和孔徑分布的變化是由石墨烯引起的。石墨烯片層彈性模量大約為1 TPa，斷裂強(qiáng)度為130 GPa[13]。對于模量較大的納米顆粒填充顆粒，高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在顆粒周圍，這將導(dǎo)致材中存在微裂隙，微裂隙的存在將會使材料的孔隙增加[14]，因此，隨著GO添加量的增加，材料的孔徑尺寸變大。而孔徑尺寸和孔徑分布會影響納米膜的過濾性能。每個過濾介質(zhì)及其相關(guān)的交互機(jī)制將導(dǎo)致結(jié)果不同，不同大小的顆粒具有不同的過濾效率。最常見的互動機(jī)制是直接攔截、慣性壓緊、布朗擴(kuò)散和重力沉降。過濾器的總過濾效率是由以上的互動機(jī)制組成的，即各個的過濾效率組成總的過濾效率[15]。此外，GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時，PAN/GO納米纖維膜的平均直徑為103 nm，與其他樣品相比是最細(xì)的。同時，直徑的大小還會影響納米膜孔徑大小和孔徑分布[16]。纖維直徑和納米膜的比表面積成反比，因此該樣品具有比較大的比表面積，而比表面積越大，過濾性能相對就越好[17]。

圖9 PAN、PAN/GO和PAN/rGO納米復(fù)合材料的孔徑氣流分布與孔徑尺寸圖Fig.9 Percent flow and pore size of PAN，PAN/GO and PAN/rGO nanocomposite membranes

圖9示出PAN，PAN/GO，PAN/rGO納米膜的孔徑氣流分布與孔徑尺寸圖。當(dāng)GO和rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.30%時，PAN/GO納米膜，純PAN材料以及PAN/rGO納米復(fù)合材料的孔徑尺寸分布范圍為0.6～1.7 μm。純PAN材料材料的孔徑尺寸分布范圍為0.6～1.1 μm。PAN/GO納米復(fù)合材料和PAN/rGO納米復(fù)合材料的孔徑尺寸分布范圍為1.0～1.6 μm，前者更多集中在1.3 μm附近，而后者更多集中在1.5 μm附近，且后者分布范圍更廣，但其過濾效果卻不同，前者比后者的Qf值大了16.60%，而且PAN/GO納米膜比純PAN納米膜的過濾性能都好，可能是由于添加了GO使PAN/石墨烯納米膜比純PAN納米膜具有更大的孔徑尺寸，以及前者比后者對過濾顆粒之間有更大的電荷作用[18]。2.3 抗菌性能分析

2.3.1 抗菌性能的定性實(shí)驗(yàn)

圖10 PAN、PAN/GO、PAN/rGO試樣對大腸桿菌的抗菌性能性檢測Fig.10 Qualitative detection of antibacterial properties against Escherichia coli of(1)PAN，PAN/GO， PAN/rGO nanocomposite membranes. (a) Sample contained PAN; (b) Sample without PAN; (c) Sample contained PAN/GO; (d) Sample without PAN/GO; (e) Sample contained PAN/rGO; (f) Sample withou PAN/ rGO

圖10示出PAN、PAN/GO、PAN/rGO試樣對大腸桿菌的抗菌性能定性檢結(jié)果。圖11示出為PAN、PAN/GO、PAN/rGO試樣對金黃色葡萄球菌的抗菌性能定性檢測圖。由圖可看出，PAN、PAN/GO及PAN/rGO試樣對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈平均寬度幾乎為零，不存在抑菌圈，同時試樣覆蓋處仍有細(xì)菌生長。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/20944.1—2007《紡織品抗菌性能的評價 第一部分：瓊脂平皿擴(kuò)散法》的抗菌效果評價，可以認(rèn)為當(dāng)GO和rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時，PAN/GO及PAN/rGO納米復(fù)合材料不具有抗菌性。然而國外大量文獻(xiàn)[19-23]都表明石墨烯復(fù)合材料具有一定的抗菌性。造成這種現(xiàn)象的原因主要有2方面原因：1)活性物質(zhì)的低擴(kuò)散性阻止了抑菌帶的形成，所以即使沒有抑菌帶，也可認(rèn)為該種纖維對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有一定的抗菌效果[19]；2)石墨烯的添加量太低，細(xì)菌繁殖濃度過大，導(dǎo)致復(fù)合材料的抗菌性能不斷減弱，最終失效。總結(jié)以上兩種可能，說明PAN/石墨烯納米復(fù)合纖維對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效果有限。2.3.2 抗菌性能的定量實(shí)驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/20944.3—2008《紡織品抗菌性能的評價 第三部分：振蕩法》中相關(guān)公式計(jì)算得，F(xiàn)=3.7>1.5，其中F為對照樣的試驗(yàn)菌增長值。因此，關(guān)于大腸桿菌的定量實(shí)驗(yàn)是有效的。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算可知：PAN/GO和PAN/rGO納米復(fù)合材料對大腸桿菌的抑菌率分別為32.4%和40.5%，同理，對于金黃色葡萄球菌，F(xiàn)=3.36>1.5，實(shí)驗(yàn)為有效的；PAN/GO和PAN/rGO納米復(fù)合材料對金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為45.8%和56.7%，結(jié)果見表2所示。無論是大腸桿菌還是金黃色葡萄球菌，當(dāng)GO和rGO的添加量為0.3%時，PAN/rGO和PAN/GO復(fù)合材料對金黃色葡萄球菌比大腸桿菌的抗菌效果更好。

表2 PAN/石墨烯納米復(fù)合材料的抗菌結(jié)果Tab.2 Quantitative detection of antibacterial properties of PAN/graphene nanocomposites membranes %

對于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，復(fù)合材料的抗菌性能不同，這是由于大腸桿菌和金黃色葡萄球菌分屬于革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌，而革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌具有不同的膜結(jié)構(gòu)，最典型的特征就是其具有不同的肽聚糖層厚度，革蘭氏陽性細(xì)菌細(xì)胞壁的肽聚糖層(約20～80 nm)通常比革蘭氏陰性細(xì)菌厚(約7～8 nm)[20]。金黃色葡萄球菌具有較厚的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，在一定程度上能夠阻礙毒劑到達(dá)膜內(nèi)部，故抗菌性的不同可歸因于細(xì)菌結(jié)構(gòu)的不同，即細(xì)菌細(xì)胞膜的滲透性和結(jié)構(gòu)完整性[21]。

3 結(jié) 語

1)石墨烯的加入會影響PAN納米纖維的成纖性能，加入GO后PAN納米纖維變細(xì)，粗細(xì)均勻度提高，而加入的GO過多會降低PAN納米纖維的成纖性；加入等量的GO和rGO，PAN/GO納米復(fù)合材料的成纖性更好，納米纖維更細(xì)，分布更加均勻。

2)PAN/GO納米復(fù)合材料的過濾性能優(yōu)于PAN納米材料，GO加入后，PAN納米纖維的過濾性能會增加，當(dāng)GO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.30%時，PAN/GO靜電紡膜的過濾效果最好。比純PAN靜電紡膜的濾效提高了0.55%，濾阻下降了12.8%。Qf值增大了28.19%。當(dāng)GO和rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.30%時，PAN/GO納米復(fù)合材料比純PAN材料和PAN/rGO納米復(fù)合材料的的過濾效果好。

3)GO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～2.00%范圍內(nèi)，PAN/GO納米復(fù)合材料的過濾效率隨著氣流量的增加而減小。當(dāng)GO和rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.30%范圍內(nèi)，PAN/GO納米復(fù)合材料、純PAN材料以及PAN/rGO納米復(fù)合材料的過濾效率均是隨著其氣流量的增加而減小。

4)納米復(fù)合材料孔徑尺寸分布在1.3～1.7 μm之間最有利于過濾效率的提高；孔徑尺寸分布大于1.3～1.7 μm這個范圍，過濾效果顯著降低，當(dāng)孔徑尺寸分布在1.3～1.9 μm之間，過濾效率降低了9.07%，Qf值降低了20.75%；孔徑尺寸分布小于1.3～1.7 μm這個范圍，過濾阻力顯著增大，當(dāng)孔徑尺寸分布在0.7～1.1 μm之間，過濾阻力增加了47.01%，Qf值降低了21.99%。

5)當(dāng)GO和rGO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.30%時，PAN/GO和PAN/rGO納米復(fù)合材料對大腸桿菌的抑菌率分別為32.4%和40.5%，對金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為45.8%和56.7%。

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Preparation and antibacterial property of high-efficiency low-resistance polyacrylonitrile/graphene nanofiber membrane for gas filtration

YU Gaili1,2, ZHANG Hongnan1,2, ZHANG Jiaojiao1,2, ZUO Xiaofei1,2, QIN Xiaohong1,2

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China; 2.KeyLaboratoryofMicro-NanoTextileofShanghai,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

In view of polyacrylonitrile (PAN) as filter material with the influence on air filtration performance factors, the electrospun graphene/PAN composite membranes containing different contents of graphene were prepared. Filtration efficiency and antibacterial property of membranes were tested, and the influences of air flow rate and pore size distribution membranes on filtration efficiency were studied. Results showed that when the content of graphite oxide (GO) is 0.3%, the average diameter of nanofibers was 103 nm and the filtration efficiency of the composite membrane reaches to maximum; the filtration efficiency of the composite membrane decreases with the increase of flow rate, and pore size between 1.3-1.7 μm was best for improvement of the membrane filtration efficiency; and when the contents of GO and reductive graphite oxide (rGO) were 0.3%, the filtration efficiency of the GO/PAN composite membrane was better than that of the rGO/PAN composite membrane, and though the antibacterial property was the opposite, namely the antibacterial experiment results were PAN/GO and PAN/rGO nanocomposite bacteriostatic rate ofE.coliwere 32.4% and 40.5%, respectively, the inhibition rate ofStaphylococcusaureuswere 45.8% and 56.7%, respectively.

high efficiency with low resistance; polyacrylonitrile; graphene; filtration property; antibacterial property

10.13475/j.fzxb.20161100608

2016-11-01

2016-11-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51373033); 長江學(xué)者(青年學(xué)者)計(jì)劃資助項(xiàng)目(11172064)；教育部重點(diǎn)支持項(xiàng)目(113027A)；上海市科委“揚(yáng)帆計(jì)劃”資助項(xiàng)目(14Y1405100)；河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210301)；河南省高校科技團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(151RTSTHN011)

余改麗(1990—)，女，碩士生。研究方向?yàn)殪o電紡絲新技術(shù)。覃小紅，通信作者，E-mail:xhqin@dhu.edu.cn。

TQ 342.3

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