原位MOF 化聚乳酸纖維膜制備及空氣過濾性能

李欣雨，朱桂英，王存民，朱金佗，徐 歡，何新建

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 材料與物理學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

我國是世界上最主要的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，煤炭消費(fèi)量在我國一次能源消費(fèi)量中占比58%[1]，而固體燃料的燃燒不可避免地會(huì)產(chǎn)生大氣污染物，如SO2、NOx、CO 和PMs(顆粒物)[2-4]。其中，PMs 在空氣中懸浮時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)、易攜帶有毒有害物質(zhì)，可通過呼吸直接進(jìn)入人體的支氣管和肺部[5-7]。尤其是在煤礦等開放性粉塵源較多的場(chǎng)景，在空氣對(duì)流、質(zhì)量濃度梯度等作用下粉塵易擴(kuò)散而造成PMs 質(zhì)量濃度急劇增加[8]，由此引發(fā)的塵肺病已成為我國現(xiàn)階段危害工人身體健康最嚴(yán)重的職業(yè)病。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底我國累計(jì)報(bào)告職業(yè)性塵肺病90.4 萬例，而60%以上為煤工塵肺，因其死亡人數(shù)已遠(yuǎn)超各類煤礦生產(chǎn)事故總死亡人數(shù)[9]。因此，為保障作業(yè)人員生命健康，亟需高性能空氣過濾材料以有效控制PMs 危害。近年來，空氣過濾領(lǐng)域的發(fā)展主要集中于對(duì)PM2.5(空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5 μm 顆粒物)的控制研究[10-12]，而PM0.3顆粒更小、穿透性更強(qiáng)、空氣停留時(shí)間更長(zhǎng)、傳播范圍更廣，其危害與防范難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PM2.5[13-14]。

大多數(shù)空氣過濾材料采用聚丙烯駐極體熔噴膜[15]，同時(shí)利用機(jī)械過濾和荷電纖維的靜電力捕捉PMs，以提高過濾效率。但聚丙烯在自然界中難以降解，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，而使用中產(chǎn)生的微塑料也會(huì)對(duì)人體健康造成危害。作為一種最具代表性的生物降解材料[16]，聚乳酸(PLA)具有優(yōu)異的生物相容性、力學(xué)性能和加工性，在空氣過濾領(lǐng)域展現(xiàn)了良好應(yīng)用前景[17-18]。為提高PLA 纖維膜的過濾效果，通常利用電暈充電方法使其纖維表面荷電。例如，ZHANG 等[19]通過電暈充電技術(shù)獲得PLA 駐極纖維膜，過濾效率得到有效提升；而LEE 等[20]利用電暈充電處理PLA 多孔纖維膜，增強(qiáng)了對(duì)PMs 過濾和SO2吸附。由于分子鏈的螺旋結(jié)構(gòu)特性，PLA 呈現(xiàn)剪切壓電性[21-22]，即，無需外加電場(chǎng)的極化處理，通過機(jī)械作用即可產(chǎn)生表面電荷并形成空間電場(chǎng)，具有簡(jiǎn)單高效、易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；苽涞娘@著特征。

由金屬離子和有機(jī)配體組成的金屬有機(jī)框架(MOFs)是一種新興的多孔晶體材料，具有極高比表面積、可控孔尺寸、優(yōu)異生物相容性和生物降解性等特點(diǎn)，而受到廣泛關(guān)注與研究[23-26]。其中，沸石咪唑酯框架-8(ZIF-8)是一類典型的MOFs 材料，具有高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高吸附性等特點(diǎn)[27-28]。更重要的是，ZIF-8 的極性官能團(tuán)和高ζ 電位有助對(duì)PMs的靜電捕獲[29-31]，因而成為空氣過濾領(lǐng)域的新興材料。但ZIF-8 晶體一般為粉末狀態(tài)，需要結(jié)合基底材料，才能有效發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì)[32-34]。目前，主要通過3 種方法將ZIF-8 負(fù)載于基底材料，即，靜電紡絲、霧化噴涂和原位生長(zhǎng)[35]。靜電紡絲法會(huì)使ZIF-8 晶體包裹在聚合物纖維中，導(dǎo)致孔隙和反應(yīng)位點(diǎn)的無效利用[36]；霧化噴涂法可以均勻分散ZIF-8 于纖維表面，但結(jié)合不緊密，ZIF-8 易脫落[37]；原位生長(zhǎng)ZIF-8(也稱原位MOF 化)提供了直接負(fù)載并最大程度保持ZIF-8 結(jié)構(gòu)和活性的有效方法[38]。

筆者通過原位生長(zhǎng)法使ZIF-8 晶體均勻錨定于PLA 纖維表面(PLA@ZIF8)，并結(jié)合機(jī)械極化技術(shù)，制備用于高效過濾PM0.3的PLA 空氣過濾膜。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能量色散X 射線光譜儀(EDS)、X 射線衍射分析儀(XRD)、傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)、萬能試驗(yàn)機(jī)、靜電測(cè)試儀和電介質(zhì)測(cè)試儀對(duì)制備的PLA 空氣過濾膜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試。利用自主搭建的過濾測(cè)試系統(tǒng)評(píng)估了PLA@ZIF8 復(fù)合膜對(duì)PM0.3的過濾性能，在不影響壓降的情況下可有效提高其過濾效率，并且利用機(jī)械極化使纖維膜表面荷電，考察ZIF-8 晶體在靜電過濾中的作用。該復(fù)合纖維膜制備工藝簡(jiǎn)單，條件溫和，可生物降解，且不含對(duì)人體有副作用的有機(jī)溶劑，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的高性能空氣過濾材料。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

聚乳酸(PLA，Luminy LX175)；二水合乙酸鋅(Zn(CH3COO)2·2H2O，≥99.9%)；2-甲基咪唑(2-MIM，98.0%)。所有試劑無需進(jìn)一步純化即可使用。

1.2 PLA 纖維膜的制備

首先將PLA 顆粒在80 ℃下干燥6 h 以去除水分，然后通過螺桿剪切和加熱將聚乳酸顆粒熔化，熔體通過擠壓從孔中噴射出來，經(jīng)高壓熱氣流的發(fā)射和拉伸作用形成超細(xì)纖維，最后在采集器上粘合成纖維膜，單位面積上的質(zhì)量為30 g/m2。

1.3 原位MOF 化制備PLA@ZIF8 纖維膜

將二水合乙酸鋅(1.65 g，0.007 5 mol)和2-甲基咪唑(2-MIM，4.93 g，0.06 mol)分別超聲溶解于200 mL 去離子水中；將PLA 纖維膜浸泡在乙酸鋅溶液中負(fù)載Zn2+晶種，40 ℃下靜置5 h 后用去離子水洗滌；然后在常溫下浸泡于2-MIM 溶液中，在此過程中，負(fù)載于PLA 纖維表面的Zn2+晶種與溶液中的2-MIM配位，并原位生長(zhǎng)為ZIF-8 晶體，反應(yīng)時(shí)間控制為2、6、10 h，以制備不同負(fù)載量的PLA 纖維膜(依次記為PLA@ZIF8-2、PLA@ZIF8-6 和PLA@ZIF8-10)。另外，2-MIM 溶液可能會(huì)加速PLA 纖維降解，為消除其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響，將僅浸泡2-MIM 溶液的PLA 纖維膜作為對(duì)照組(記為PLA-2、PLA-6 和PLA-10)。反應(yīng)結(jié)束后，用去離子水洗滌纖維膜，置于40 ℃烘箱中干燥8 h。纖維膜制備流程如圖1 所示。

圖1 原位MOF 化PLA 纖維過濾膜的制備流程Fig.1 Schematic approach to fabrication of PLA-based polarized MOFilters

1.4 機(jī)械極化制備P-PLA@ZIF8 過濾膜

將PLA@ZIF8 纖維膜和對(duì)照組依次放入平板熱壓機(jī)中進(jìn)行機(jī)械極化(40 ℃，5 MPa，5 min)。高壓(5 MPa)預(yù)期促進(jìn)分子鏈伸直和MOF 上偶極子取向排列，以提高偶極電荷并改善介電性能；低溫(40 ℃)可以保持纖維膜原有孔隙結(jié)構(gòu)，且避免高溫下電荷脫阱。將極化處理后的纖維膜(記為P-PLA@ZIF8)保存待測(cè)。

1.5 微觀結(jié)構(gòu)表征

采用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7900F)觀察樣品的微觀形貌，采用能量色散X 射線光譜儀(EDS，JSM-7900F)分析樣品的元素成分，采用X 射線衍射分析儀(XRD，D8-Advance)表征樣品的晶體結(jié)構(gòu)，采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR，Nicolet IS10)表征樣品的化學(xué)性質(zhì)，采用萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的拉伸性能，采用靜電測(cè)試儀(Model FMX-003)測(cè)量樣品的表面電勢(shì)，采用電介質(zhì)測(cè)試儀(WK-6500B)檢測(cè)樣品的介電常數(shù)。

1.6 過濾性能測(cè)試

使用自主搭建的過濾測(cè)試系統(tǒng)評(píng)估纖維膜的過濾性能，如圖2 所示。以粒子發(fā)生器(Model 8026,TSI Inc,Shoreview,MN,USA)生成的氯化鈉氣溶膠(0～300 nm)作為測(cè)試介質(zhì)，以恒定抽氣流量10、32、65 和85 L/min 作為測(cè)試流量，使用納米顆粒粒徑譜儀(Model 3910,TSI Inc,Shoreview,MN,USA)分別測(cè)量纖維膜兩側(cè)的氣溶膠計(jì)數(shù)濃度，使用微壓計(jì)(Model AP800,TSI Inc,Shoreview,MN,USA)監(jiān)測(cè)空氣阻力(ΔP)，過濾效率(FE)的計(jì)算公式為

圖2 空氣過濾測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic illustration of the air filtration test system established in this work

式中，F(xiàn)E為纖維膜的過濾效率；C0、C分別為纖維膜過濾前后的氣溶膠計(jì)數(shù)濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維膜表征分析

2.1.1 SEM 與EDS 分析

圖3 為不同MOF 化時(shí)間下纖維膜的SEM 圖及相應(yīng)的高倍放大圖，其中圖3(a)為純PLA 熔噴纖維膜，圖3(b)～(d)分別為MOF 化2、6、10 h 后得到的PLA@ZIF8 纖維膜。原始的PLA 纖維表面光滑，直徑為2～6 μm；MOF 化2 h 后(PLA@ZIF8-2)在PLA纖維上出現(xiàn)稀疏分散的ZIF-8 晶體，纖維表面變得粗糙；MOF 化6 h 后(PLA@ZIF8-6)，ZIF-8 晶體負(fù)載量明顯增加，在整個(gè)纖維的表面形成致密的均勻包覆層；MOF 化時(shí)間進(jìn)一步增加到10 h 時(shí)(PLA@ZIF8-10)，ZIF-8 晶體在纖維上的分散度降低，有團(tuán)聚現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖3 原位MOF 化不同時(shí)間后PLA 纖維膜的掃描電鏡(SEM)觀察圖像Fig.3 SEM images of PLA fiber membrane after in situ MOF functionalization for different times

圖4 為PLA@ZIF8 纖維膜的EDS 元素掃描分布。與純PLA 纖維膜相比，PLA@ZIF8-6 纖維膜中出現(xiàn)了Zn 和N 兩種屬于ZIF-8 的元素[39]，其原子比例分別為4.7%和28.5%，證實(shí)了ZIF-8 晶體的存在。此外，Zn 和N 元素沿纖維方向均勻分布，表明ZIF-8 晶體均勻分散在纖維表面[28]，這與SEM 結(jié)果一致。

圖4 原位MOF 化PLA 纖維膜的元素面分布和EDS 能譜Fig.4 Element plane distribution diagram and EDS energy spectrum of in-situ MOF functionalized PLA fiber membrane

2.1.2 FTIR 與XRD 分析

通過FTIR 與XRD 研究了纖維膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證明了纖維膜表面上ZIF-8 晶體的存在，如圖5所示。圖5(a)為FTIR 光譜示意，圖5(c)為FTIR 光譜的局部放大示意。原位MOF 化的PLA 纖維膜與純PLA 纖維膜相比，C=O 的伸縮振動(dòng)吸收峰由1 753 cm-1紅移至1 750 cm-1，C—O 的伸縮振動(dòng)吸收峰由1 085 cm-1紅移至1 083 cm-1。此外，MOF 化的PLA 纖維膜均在758 cm-1(咪唑環(huán)的彎曲振動(dòng))出現(xiàn)了特征峰[40]，這些峰的偏移和出現(xiàn)證實(shí)了在PLA 膜表面形成了ZIF-8 晶體。圖5(b)為X 射線衍射示意，純PLA 纖維膜的衍射峰在2θ=16.4°[41]，MOF 化后衍射峰均向右偏移，其中PLA@ZIF8-6 纖維膜的偏移程度最大(2θ=16.7°)，不僅證實(shí)了PLA 纖維膜表面ZIF-8 晶體的存在，且可推測(cè)其負(fù)載量最大，這是由于ZIF-8 晶體的生長(zhǎng)會(huì)減小纖維中PLA 晶體的晶面間距。

圖5 原位MOF 化PLA 纖維膜的紅外光譜示意(FTIR)與X 射線衍射示意(XRD)Fig.5 FTIR and XRD images of in-situ MOF functionalized PLA fiber membrane

2.1.3 力學(xué)性能分析

為檢驗(yàn)ZIF-8 晶體對(duì)纖維膜力學(xué)性能的貢獻(xiàn)，測(cè)試了不同MOF 化時(shí)間纖維膜及其對(duì)照樣品的拉伸性能，如圖6 所示。

圖6 原位MOF 化PLA 纖維膜的力學(xué)性能Fig.6 Mechanical properties of in-situ MOF functionalized PLA fiber membrane

圖6(a)為纖維膜的應(yīng)力應(yīng)變曲線，生長(zhǎng)了ZIF-8晶體的纖維膜與其對(duì)照樣品相比，應(yīng)力與應(yīng)變皆有不同程度的增加。PLA@ZIF8-2、PLA@ZIF8-6 與PLA@ZIF8-10 的拉伸強(qiáng)度皆有小幅度提升，分別增加了14%、11%和27%。同時(shí)，PLA@ZIF8-2、PLA@ZIF8-6 與PLA@ZIF8-10 的斷裂伸長(zhǎng)率明顯增加，分別是其對(duì)照樣品的4、6、5 倍。值得指出的是，PLA@ZIF8-6 纖維膜具有最高的拉伸強(qiáng)度(4.4 MPa)和斷裂伸長(zhǎng)率(36.1%)，如圖6(b)所示。圖6(c)為纖維膜的彈性模量與斷裂韌性對(duì)比，MOF 化后纖維膜保持了PLA 的高彈性模量(約150 MPa)，而斷裂韌性有大幅度提升，PLA@ZIF8-2 和PLA@ZIF8-6 纖維膜均達(dá)到了1.4 MJ/m3以上，是其對(duì)照樣品的約8 倍，而PLA@ZIF8-10 的斷裂韌性為0.4 MJ/m3，是其對(duì)照樣品的約3 倍。綜合來看，PLA@ZIF8-6 纖維膜取得了最優(yōu)異的力學(xué)性能，推測(cè)是因?yàn)镸OF 化6 h 后PLA纖維膜表面生長(zhǎng)有結(jié)構(gòu)規(guī)整的大量ZIF-8 晶體，大幅提升了材料的力學(xué)性能。這與LEE 等[20]研究結(jié)果一致，表明原位生長(zhǎng)的ZIF-8 晶體可保證PLA 纖維在空氣過濾應(yīng)用中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而2-MIM 溶液會(huì)加速PLA降解[42]，長(zhǎng)時(shí)間浸泡可能會(huì)侵蝕纖維表面，導(dǎo)致PLA@ZIF8-10 纖維膜力學(xué)性能劣化。

2.1.4 極化特性分析

測(cè)試了PLA @ZIF8 纖維膜的介電常數(shù)和機(jī)械極化后P-PLA @ZIF8 過濾膜的表面電勢(shì)以表征材料的極化特性，如圖7 所示。圖7(a)為102～106Hz 頻率下纖維膜的介電常數(shù)，僅浸泡2-MIM 溶液的纖維膜(PLA-2、PLA-6、PLA-10)介電常數(shù)落在1.4～1.6 F/m較低范圍，原位MOF 化后纖維膜(PLA@ZIF8-2、PLA@ZIF8-6、PLA@ZIF8-10)的介電常數(shù)有明顯提高，均在2.0 F/m 以上。特別地，PLA@ZIF8-6 纖維膜的介電常數(shù)超過了2.4 F/m，主要是因?yàn)閆IF-8 的極性官能團(tuán)和高ζ 電位提高了PLA 的介電常數(shù)[29-31]，這為機(jī)械極化奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖7 PLA@ZIF-8 纖維膜的極化特性與表面電勢(shì)Fig.7 Polarization properties and surface potential of PLA@ZIF-8 MOFilters

使用靜電測(cè)試儀測(cè)量機(jī)械極化后纖維膜的表面電勢(shì)，實(shí)物如圖7(b)所示。如圖7(c)所示，原位生長(zhǎng)ZIF-8 晶體纖維膜的表面電勢(shì)明顯高于僅浸泡2-MIM 的對(duì)照纖維膜，這說明ZIF-8 顯著增加了極化過程中纖維膜的電荷生成和儲(chǔ)存能力[20]。值得注意的是，P-PLA@ZIF8-6 纖維膜的表面電勢(shì)最高(約4 kV)，這與所測(cè)介電常數(shù)表現(xiàn)出相同的規(guī)律。進(jìn)一步，通過擬合介電常數(shù)與表面電勢(shì)的函數(shù)關(guān)系，如圖7(d)所示，得到線性擬合函數(shù)(Y=3.34X-4.64)，這表明PLA 纖維膜的介電常數(shù)與表面電勢(shì)之間呈正相關(guān)。

2.2 纖維膜過濾性能分析

2.2.1 過濾效率

分別在10、32、65 和85 L/min 空氣流量下測(cè)試?yán)w維膜對(duì)氯化鈉氣溶膠(PM0.3)的過濾效率，如圖8所示。盡管所有PLA 纖維膜的過濾效率均隨空氣流量的增大而降低，但原位MOF 化的PLA 纖維膜與其對(duì)照樣品相比，過濾效率均有不同程度的提升。圖8(a)為MOF 化2 h 纖維膜的過濾效率，在4 種空氣流量下，生長(zhǎng)ZIF-8 晶體后纖維膜的過濾效率提升了2.6%～5.3%，將PLA-2 和PLA@ZIF8-2 進(jìn)行相同極化處理后，P-PLA-2 纖維膜的過濾效率并無明顯提升，而P-PLA@ZIF8-2 纖維膜的過濾效率可有效提升1.9%～3.8%；圖8(b)為MOF 化6 h 纖維膜的過濾效率，在不同測(cè)試流量下，生長(zhǎng)ZIF-8 晶體纖維膜的過濾效率大幅提升了10.5%～15.1%，將PLA-6 和PLA@ZIF8-6 進(jìn)行相同極化處理后，P-PLA-6 纖維膜的過濾效率并無明顯提升，P-PLA@ZIF8-6 纖維膜的過濾效率可有效提升4.3%～7.7%；圖8(c)為MOF化10 h 纖維膜的過濾效率，在4 種空氣流量下，生長(zhǎng)ZIF-8 晶體后纖維膜的過濾效率大幅提升了12.5%～17.1%，將PLA-10 和PLA@ZIF8-10 進(jìn)行相同極化處理后，P-PLA-10 纖維膜的過濾效率無明顯提升，P-PLA@ZIF8-10 纖維膜的過濾效率提升效果也比較弱，僅有0.6%～1.4%。

圖8 PLA@ZIF-8 纖維膜對(duì)PM0.3 的過濾效率Fig.8 Filtration efficiency of PM0.3 for the PLA@ZIF-8 MOFilters

從圖8 可知，原位MOF 化時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)PLA 纖維膜過濾效率的提升越明顯，這是因?yàn)閆IF-8 晶體具有高比表面積，負(fù)載在PLA 纖維上增加了其表面粗糙度，從而增加顆粒在纖維表面的沉積概率[43]，且ZIF-8 負(fù)載量越高效果越好，低流速(10 L/min)下PLA@ZIF8-6 和PLA@ZIF8-10 纖維膜的過濾效率均在83%以上。將纖維膜進(jìn)行極化后，纖維膜表面的靜電力會(huì)更有效地吸附顆粒物[44-46]，因此過濾效率都有所提升，特別是P-PLA@ZIF8-6 纖維膜提升效果最明顯，在10 L/min 氣流速度下其過濾效率可達(dá)到88%，而P-PLA@ZIF8-10 纖維膜并無明顯提升，這與圖7(c)纖維膜表面電勢(shì)結(jié)果一致，這是因?yàn)閆IF-8 晶體會(huì)提升PLA 纖維膜的極化特性，MOF 化時(shí)間越長(zhǎng)ZIF-8負(fù)載量越大，纖維膜的極化效果越好，但是MOF 化時(shí)間增加到10 h 時(shí)，ZIF-8 晶體有可能發(fā)生團(tuán)聚，一定程度抑制了其極性位點(diǎn)從而影響纖維膜的極化效果。

2.2.2 空氣阻力

分別在10、32、65 和85 L/min 空氣流量下測(cè)試了纖維膜的空氣阻力，見表1。所有纖維膜的空氣阻力皆隨空氣流量的增加而呈線性增長(zhǎng)，這與之前研究結(jié)果類似[8,47]。值得指出的是，PLA 纖維膜在MOF化后空氣阻力并無顯著變化，這表明ZIF-8 晶體的負(fù)載并不會(huì)增加纖維膜的空氣阻力[28]，所有纖維膜的空氣阻力即使在85 L/min 高流量下仍然保持在117 Pa以下的極低濾阻。在機(jī)械極化后，纖維膜的空氣阻力略有增加，可能是由于孔隙率和孔徑的減小[48]。研究表明，為滿足人體對(duì)舒適性的要求，所佩戴口罩的空氣阻力應(yīng)低于200 Pa[49]，極化后的P-PLA@ZIF8 纖維膜在測(cè)試流量下的空氣阻力最高僅為182.6 Pa，很好滿足了人體佩戴時(shí)的舒適性需求。

表1 不同空氣流量下PLA@ZIF-8 纖維膜的濾阻Table 1 Filtration resistance of PLA@ZIF-8 MOFilters under varying air flow velocities

2.2.3 P-PLA@ZIF8 纖維膜的過濾機(jī)理

純PLA 纖維膜對(duì)顆粒物的攔截主要依靠機(jī)械過濾，如擴(kuò)散效應(yīng)、攔截作用和慣性沉積[50-51]。然而，機(jī)械過濾機(jī)制的過濾效率有限，尤其是對(duì)于最具穿透力(MPPS)的PM0.3顆粒[52]。原位生長(zhǎng)ZIF-8 晶體的PPLA@ZIF8 纖維膜不僅具有高表面活性ZIF-8 強(qiáng)化的機(jī)械過濾機(jī)制，還具有以下多重過濾機(jī)制：①ZIF-8 晶體具有極高的比表面積，通過原位生長(zhǎng)負(fù)載在PLA 纖維上，大大增加了纖維膜的比表面積和粗糙度，增加了顆粒物在纖維上的沉積概率[43]；②ZIF-8 晶體的極性官能團(tuán)和高ζ 電位提高了纖維膜的介電常數(shù)，因此纖維膜在極化時(shí)產(chǎn)生了更高的表面電勢(shì)，通過靜電力有效捕獲顆粒物[29-31,53]；③ZIF-8 晶體是多孔材料，具有豐富的吸附位點(diǎn)，使PLA 纖維膜具有極高的吸附能力[54-55]。

3 結(jié)論

(1)復(fù)合空氣過濾纖維膜的制備工藝主要分為2個(gè)階段：原位生長(zhǎng)MOF 改性聚乳酸熔噴膜使其負(fù)載ZIF-8 晶體；機(jī)械極化PLA@ZIF8 纖維膜使其表面荷電。該制備工藝簡(jiǎn)單高效，條件溫和，可生物降解，且不含對(duì)人體有副作用的有機(jī)溶劑。

(2)纖維膜經(jīng)MOF 化后，其力學(xué)性能、極化性能以及過濾性能均有提升，控制MOF 化時(shí)間可以穩(wěn)定調(diào)控性能增幅。其中，PLA@ZIF8-6 纖維膜表現(xiàn)最好，具有最高的拉伸強(qiáng)度(4.4 MPa)、斷裂伸長(zhǎng)率(36.14%)和斷裂韌性(1.46 MJ/m3)，且表面電勢(shì)近4 kV，在不增加濾阻的同時(shí)，對(duì)PM0.3過濾效率提高15%。機(jī)械極化后，負(fù)載有ZIF-8 晶體的PLA 纖維膜較對(duì)照樣品的靜電過濾效率顯著提高，特別是PPLA@ZIF8-6 纖維膜，在10 L/min 氣流速度下過濾效率可達(dá)到88%。

(3)ZIF-8 晶體的高比表面積、高ζ 電位、極性官能團(tuán)以及豐富的吸附位點(diǎn)協(xié)同作用，顯著提升了PLA纖維膜的PM0.3過濾性能。這為超細(xì)顆粒物過濾提供了一種策略，特別是在煤礦、機(jī)械、建材等開放性粉塵源較多的行業(yè)。但是，ZIF-8 晶體在纖維膜上如何可控、均勻、高效生長(zhǎng)需要進(jìn)一步探究。