东华大学俞建勇院士、丁彬研究员团队《Adv. Funct. Mater.》：超柔性网笼结构纳米纤维气凝胶

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

空气中的微生物污染及传播对人类身体健康和经济发展带来了极大的威胁。2019新冠肺炎的爆发使得全球超过2亿人被感染，其中死亡人数超过400万。纤维过滤材料（如医用口罩、空调滤芯等）是日常防护必不可少的重要装备，可有效拦截空气中的污染物。然而，现有的纤维类空气过滤材料多为微米纤维毡，其纤维直径粗、孔径大的缺陷使其过滤效率低，难以满足实际应用中对病毒等微小物质的拦截，且该材料通常不具备杀菌杀病毒功能，拦截的微生物会进一步繁殖生长，极易引发更严重的二次感染。因此，亟需开发具有抗菌抗病毒功能的纳米纤维过滤材料。

近日，东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队报道了一种超柔性网笼结构纳米纤维气凝胶。通过在SiO2纳米纤维/硅烷溶胶/卤胺改性剂的分散液中进一步引入细菌纤维素（BC）纳米纤维，经冷冻干燥后，BC纤维在SiO2纤维框架上形成二级精细网络，从而构成了纤维网笼结构，在抗菌抗病毒空气过滤材料领域极具应用潜力（图1）。相关研究成果以“Tailoring Nanonets-Engineered Superflexible Nanofibrous Aerogels with Hierarchical Cage-Like Architecture Enables Renewable Antimicrobial Air Filtration”为题发表在期刊《Advanced Functional Materials》上，该论文的第一作者为东华大学纺织科技创新中心讲师王斐，共同通讯作者为丁彬研究员和斯阳研究员。

图1. 网笼结构纳米纤维气凝胶的制备过程及其性能展示

研究者考察了不同BC纳米纤维含量的气凝胶对PM0.3的过滤效率和压阻，随着BC含量的增加，气凝胶的过滤性能和压阻都逐渐增大（图2）。当BC纤维含量为20wt%时，气凝胶的过滤效率即可达到99.97%，此时压阻为189Pa。通过进一步构建SiO2纤维气凝胶和网笼结构纳米纤维气凝胶的三维结构模型，设置空气参数和过滤颗粒的粒径，可以得到材料所受到的空气阻力分布情况和对固体颗粒物的拦截情况。相比于SiO2纤维气凝胶，网笼结构气凝胶可拦截几乎所有的颗粒，气凝胶内部的BC二级网络可有效拦截微小颗粒物，如放大图中所示。此外，通过辨别空气阻力场的颜色可判断阻力大小，图中显示通过网笼结构气凝胶的空气阻力（黄绿色）略高于SiO2气凝胶（蓝绿色），这意味着BC纤维形成的二级网络会一定程度增大过滤时的空气阻力。

图2. 气凝胶的空气过滤性能及过滤模拟图

在实际应用过程中，当污染空气通过氯化处理后的气凝胶时，纳米纤维网笼结构将对污染物起到拦截作用，尤其是BC精细网络会拦截细菌、病毒和微小颗粒物质，纤维网笼上的卤胺抗菌剂活性位点将释放氯正离子以彻底杀灭拦截的微生物，从而避免二次污染（图3）。与此同时，气凝胶N-Cl键释放的氯也会被消耗而变为N-H键，当气凝胶再次被氯化时，纤维网络上的N-H键可重新氯化成N-Cl键，实现杀菌杀病毒性能的循环再生。在不同的化学需氧量下，气凝胶可在3min内实现6log大肠杆菌的杀灭效率，该杀菌效率优于大多数杀菌材料。此外，氯化后气凝胶可在5min内杀灭6log的病毒，具有优异的抗病毒性能。该材料的制备为开发新一代抗菌抗病毒空气过滤材料提供了新思路。

图3. 网笼结构纳米纤维气凝胶的制备过程及其性能展示

该项研究得到国家自然科学基金、上海市科学技术委员会项目、中央高校基础研究项目的大力资助。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107223

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)，作者：高分子科学前沿