界面立构复合化电活性聚乳酸纳纤膜的制备及高效过滤性能

doi:10.7503/cjcu20230311

摘要/Abstract

摘要：

聚乳酸纤维膜在可降解空气过滤材料领域具有巨大潜力, 但低比例的电活性相导致纤维膜的介电性能较弱, 难以满足高性能空气颗粒物(PMs)过滤材料的需要. 本文利用聚L-乳酸(PLLA)和聚D-乳酸(PDLA)组成的立构复合物(SC)提供高比例电活性相, 采用同轴静电纺丝策略构筑界面立构复合化的电活性聚乳酸纳纤膜. 通过改变纺丝时的注射速度, 调控纤维形貌以及羰基(C=O)偶极子、 β晶相和界面立构复合晶(SCs)的形成, 得到的核壳(CS)结构纳纤膜具有改善的表面电势(9.3 kV)和介电常数(1.60 F/m). 界面立构复合化的纤维膜力学性能提升显著, 核部PLLA和壳部PDLA的注射速度分别为1.0和0.5 mL/h时获得的CS1.5纳纤膜的拉伸强度和杨氏模量分别达到17.2和351.1 MPa, 明显优于纯聚乳酸纤维膜. 更重要的是, 提升的电活性显著增强了聚乳酸纳纤膜对PM_0.3和PM_2.5的过滤效率, 界面立构复合化在应对高流速下捕尘时具有独特优势, CS1.5纳纤膜的过滤效率由10 L/min时的82.5%提升至85 L/min时的97.9%. 本文提出了采用界面立构复合化激发聚乳酸电活性的策略, 为解决聚乳酸纤维膜过滤材料的应用瓶颈提供了有益的参考.

关键词: 聚乳酸, 立构复合化, 同轴静电纺丝, 电活性, 空气过滤

Abstract:

Poly（lactic acid） membrane has great potential in the field of biodegradable air filtration materials， but the low proportion of electroactive phase leads to weak dielectric properties of the membrane， making it difficult to meet the requirements for capturing of high-performance filter materials for airborne particulate matters（PMs）. Herein， the stereocomplex（SC） composed of poly（L-lactic acid）（PLLA） and poly（D-lactic acid）（PDLA） was employed to provide the proportion of high electroactive phase formation， and the stereocomplexed interface of electroactive poly（lactic acid） nanofiber membrane was established by coaxial electrospinning strategy. By adjusting the injection speed during spinning， fiber morphology and the formation of carbonyl（C=O） dipole， β crystal phase and interfacial stereocomplex crystals（SCs）， the nanofiber membrane of core-shell（CS） structure obtained has improved surface potential（9.3 kV） and dielectric constant of 1.60. The mechanical properties of the composite fiber membrane with interfacial stereocomplex were significantly improved. The tensile strength and Young’s modulus of core-shell 1.5（CS1.5） nanofiber membrane reached 17.2 MPa and 351.1 MPa， respectively， which were obviously superior to the pure PLLA membrane. More importantly， the enhanced electrical activity significantly enhanced the filtration efficiency of poly（lactic acid） nanofiber membranes for PM_0.3 and PM_2.5， and the stereocomplexed interface had a unique advantage in dealing with dust collection at high flow rate. The filtration efficiency of CS1.5 nanofiber membrane increased from 82.5% at 10 L/min to 97.9% at 85 L/min. Furthermore， we developed the strategy of using interfacial stereocomplex to stimulate the electroactivity of poly（lactic acid） for the first time， providing valuable insights for solving the application bottleneck of poly（lactic acid） membrane filtration materials.

Key words: Poly（lactic acid）, Stereocomplexation, Coaxial electrospinning, Electroactivity, Air filtration

中图分类号:

O631

TrendMD:

李小川, 唐梦珂, 朱金佗, 何新建, 徐欢. 界面立构复合化电活性聚乳酸纳纤膜的制备及高效过滤性能. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230311.

LI Xiaochuan, TANG Mengke, ZHU Jintuo, HE Xinjian, XU Huan. Interfacial Stereocomplexation of Electroactive Poly（lactic acid） Nanofibrous Membranes for Efficient Filtration of Airborne PMs. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230311.

图/表 5

Fig.1 SEM images(A—D) and corresponding fiber diameter distributions(E—H) of Pure PLLA(A, E), CS1.5(B, F), CS3.0(C, G) and CS4.5(D, H)Insets： enlargements corresponding to PLLA（A）， CS3.0（B）， CS4.5（C） and CS1.5（D）.

Fig.2 Surface potential(A) and dielectric constartts(B) of poly(lactic acid)membranes at different injection ratios

Fig.3 FTIR spectra(A) and the parts of C=O stretching vibrations(B), β⁃phase(C), and SC phase(D) of SC PLA membranes

Fig.4 Typical stress⁃strain curves(A), comparison of elongation at break(B), tensile strength(C) and Young’s modulus(D) histograms of SC PLA membranes

Fig.5 Filtration efficiency of SC PLA membranes for PM0.3(A) and PM0.3—2.5(B) at different flow rates, pressure drop of filters at different flow rates(C) and SEM images of the membranes after filtration(D—G)（D） Pure PLLA；（E） CS1.5；（F） CS3.0；（G） CS4.5. Insets of （D—G）： enlargements corresponding to Pure PLLA（D）， CS1.5（E）， CS3.0（F） and CS4.5（G）.

参考文献 38

1	Chu D. K.， Akl E. A.， Duda S.， Solo K.， Yaacoub S.， Schunemann H. J.， Lancet， 2020， 395（10242）， 1973—1987
2	Wu X.， Nethery R. C.， Sabath M. B.， Braun D.， Dominici F.， Sci. Adv.， 2020， 6（45）， eabd4049
3	Li X.， Jia J.， Zhang M.， Wang L.， Chang X.， Energ. Buildings， 2022， 273， 112381
4	Liu H.， Zhang S.， Liu L.， Yu J.， Ding B.， Adv. Funct. Mater.， 2020， 30（13）， 1909554
5	Leung N. H. L.， Chu D. K. W.， Shiu E. Y. C.， Chan K.， Mcdevitt J. J.， Hau B. J. P.， Yen H.， Li Y.， Ip D. K. M.， Peiris J. S. M.， Seto W.， Leung G. M.， Milton D. K.， Cowling B. J.， Nat. Med.， 2020， 26（5）， 676—680
6	Deng W.， Sun Y.， Yao X.， Subramanian K.， Ling C.， Wang H.， Chopra S. S.， Xu B. B.， Wang J. X.， Chen J. F.， Wang D.， Amancio H.， Pramana S.， Ye R.， Wang S.， Adv. Sci.， 2022， 9（3）， 2102189
7	Patrício Silva A. L.， Prata J. C.， Walker T. R.， Duarte A. C.， Ouyang W.， Barcelò D.， Rocha⁃Santos T.， Chem. Eng. J.， 2021， 405， 126683
8	Li X.， Zhu G.， Tang M.， Li T.， Wang C.， Song X.， Zhang S.， Zhu J.， He X.， Hakkarainen M.， Xu H.， ACS Appl. Mater. Interfaces.， 2023， 15（22）， 26812—26823
9	Ke L.， Yang T.， Liang C.， Guan X.， Li T.， Jiao Y.， Tang D.， Huang D.， Li S.， Zhang S.， He X.， Xu H.， ACS Appl. Mater. Interfaces.， 2023，15（27）， 32463—32474
10	Liu G.， Guan J.， Wang X.， Yu J.， Ding B.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2023， 11（10）， 4279—4288
11	Zhang S.， Liu H.， Tang N.， Zhou S.， Yu J.， Ding B.， Adv. Mater.， 2020， 32（29）， 2002361
12	Kim D.， Bahi A.， Liu L.， Bement T.， Rogak S.， Renneckar S.， Ko F.， Mehrkhodavandi P.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2022， 10（8）， 2772—2783
13	Zhu M.， Han J.， Wang F.， Shao W.， Xiong R.， Zhang Q.， Pan H.， Yang Y.， Samal S. K.， Zhang F.， Huang C.， Macromol. Mater. Eng.， 2017， 302（1）， 1600353
14	Zhang Y. Y.， Kang L. J.， Han Z. L.， Zhao S. Z.， Zhao X. D.， Cao J. S.， Cheng Z. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（6）， 1025—1032
	张莹莹，康立娟，韩櫂濂，赵圣哲，赵晓冬，曹金山，程志强. 高等学校化学学报， 2017， 38（6）， 1025—1032
15	Tai Y.， Yang S.， Yu S.， Banerjee A.， Myung N. V.， Nam J.， Nano Energy.， 2021， 89， 106444
16	Zhao G.， Huang B.， Zhang J.， Wang A.， Ren K.， Wang Z. L.， Macromol. Mater. Eng.， 2017， 302（5）， 1600476
17	Tang M.， Jiang L.， Wang C.， Li X.， He X.， Li Y.， Liu C.， Wang Y.， Gao J.， Xu H.， ACS Appl. Mater. Interfaces.， 2023， 15（21）， 25919—25931
18	Zhang J.， Gong S.， Wang C.， Jeong D. Y.， Wang Z. L.， Ren K.， Macromol. Mater. Eng.， 2019， 304（10）， 1900259
19	Sun C.， Zheng Y.， Xu S.， Ni L.， Li X.， Shan G.， Bao Y.， Pan P.， ACS Macro Lett.， 2021， 10（8）， 1023—1028
20	Tsuji H.， Nakano M.， Hashimoto M.， Takashima K.， Katsura S.， Mizuno A.， Biomacromolecules， 2006， 7（12）， 3316—3320
21	Rathore P.， Schiffman J. D.， ACS Appl. Mater. Interfaces.， 2021， 13（1）， 48—66
22	Duan G.， Greiner A.， Macromol. Mater. Eng.， 2019， 304（5）， 1800669
23	Yoon J.， Yang H.， Lee B.， Yu W.， Adv. Mater.， 2018， 30（42）， 1704765
24	Chai B.， Shi K.， Wang Y.， Liu Y.， Liu F.， Jiang P.， Sheng G.， Wang S.， Xu P.， Xu X.， Huang X.， Nano Lett.， 2023， 23（5）， 1810—1819
25	Neffe A. T.， Zhang Q.， Hommes⁃Schattmann P. J.， Wang W.， Xu X.， Ahmad B. S.， Williams G. R.， Lendlein A.， J. Mater. Res.， 2021， 36（14）， 2995—3009
26	Nguyen T. T. T.， Chung O. H.， Park J. S.， Carbohydr. Polym.， 2011， 86（4）， 1799—1806
27	Chen D.， Tang L.， Wang Y.， Tan Y.， Fu Y.， Cai W.， Yu Z.， Sun S.， Zheng J.， Cui J.， Wang G.， Liu Y.， Zhou H.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2022， 14（15）， 17774—17782
28	Le T. T.， Curry E. J.， Vinikoor T.， Das R.， Liu Y.， Sheets D.， Tran K. T. M.， Hawxhurst C. J.， Stevens J. F.， Hancock J. N.， Bilal O. R.， Shor L. M.， Nguyen T. D.， Adv. Funct. Mater.， 2022， 32（20）， 2113040
29	Wang L.， Bian Y.， Lim C. K.， Niu Z.， Lee P. K. H.， Chen C.， Zhang L.， Daoud W. A.， Zi Y.， Nano Energy， 2021， 85， 106015
30	Qavi I.， Tan G.， Mater. Des.， 2023， 227， 111708
31	Cai S.， Zhang G.， Wang L.， Jian T.， Xu J.， Su F.， Tian Y.， Mater. Today Chem.， 2022， 26， 101148
32	Xu H.， Hua G.， Odelius K.， Hakkarainen M.， Macromol. Chem. Phys.， 2016， 217（23）， 2567—2575
33	Xie L.， Xu H.， Li Z. M.， Hakkarainen M.， Macromol. Rapid Commun.， 2016， 37（9）， 745—751
34	Liu J.， Qi X.， Feng Q.， Lan Q.， Macromolecules， 2020， 53（9）， 3493—3503
35	Tang M. K.， Jiang L.， Xu W. X.， Zhang Z. L.， Tang D. Y.， Huang D. H.， Yang H. R.， Gao J. F.， Ji X.， Wang Y. Q.， Xu H.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（4）， 20220601
	唐梦珂，江亮，徐文轩，张子林，唐道远，黄东辉，杨皓然，高杰峰，吉祥，王延庆，徐欢. 高等学校化学学报， 2023， 44（4）， 20220601
36	Han Y.， Xu Y.， Zhang S.， Li T.， Ramakrishna S.， Liu Y.， Macromol. Mater. Eng.， 2020， 305（11）， 2000230
37	Zhang S.， Liu H.， Tang N.， Zhou S.， Yu J.， Ding B.， Adv. Mater.， 2020， 32（29）， 2002361
38	Zhou M.， Shi L.， Dai H.， Obed A.， Liu P.， Wu J.， Qin X.， Wang R.， Sep. Purif. Technol.， 2022， 289， 120726

[1]	宋亚男, 游祖豪, 王旭, 刘瑶. 电活性紫罗烯有机光伏界面材料的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(9): 20230167.
[2]	唐梦珂, 江亮, 徐文轩, 张子林, 唐道远, 黄东辉, 杨皓然, 高杰峰, 吉祥, 王延庆, 徐欢. 微波辅助仿生矿化增强石墨烯与聚乳酸的界面相互作用[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(4): 20220601.
[3]	马文龙, 郭状, 张威, 陈明星. PP/PMIA@PVDF-HFP纳米纤维复合滤材的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230344.
[4]	李真, 郝凯, 贺超良, 田华雨. PLGA-姜黄素纳米颗粒的制备及体外抗炎性能评价[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(10): 20230154.
[5]	高京, 何文涛, 王欣欣, 向宇姝, 龙丽娟, 秦舒浩. DOPO衍生物改性碳纳米管的制备及对聚乳酸阻燃性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210670.
[6]	徐欢, 柯律, 唐梦珂, 尚涵, 徐文轩, 张子林, 付亚男, 韩广东, 崔金声, 杨皓然, 高杰峰, 张生辉, 何新建. 液相剪切原位剥离蒙脱土纳米片增强高阻氧聚乳酸[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220316.
[7]	李欣宇, 李志伟, 张兴元. 硫磺素型聚乳酸/苯磺酸室温磷光体系的构建[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1987.
[8]	夏艺玮, 王光鑫, 冯玉林, 胡跃鑫, 赵桂艳. 生物基超韧聚乳酸复合材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(8): 1881.
[9]	刘垚杉,吴海林,贾智,杜博,刘大勇,周志敏. 丝素改性聚乳酸-羟基乙酸共聚物多孔微球作为牙龈间充质干细胞递送载体的研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(11): 2419.
[10]	韩嘉晖, 黄汉雄, 黄宇霄. 滑石粉和PLA-g-MAH对聚乳酸结晶性能和熔体强度的改善[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(9): 2089.
[11]	任晶, 王书刚, 李延春, 杨清彪, 宋岩, 李耀先. AOPAN@PAN同轴纳米纤维的制备及吸附性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(4): 825.
[12]	高燕, 张华, 张雯, 李祥鹏, 岳盼, 李伟. 乳液静电纺丝PLA/PEG微纳纤维膜的可控制备及负载亲疏水性药物的释放[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(3): 575.
[13]	刘星, 王文俊, 邵自强, 李磊. 纳米纤维素/聚乳酸全绿色纳米复合材料的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(2): 373.
[14]	吴瑞清, 来婧娟, 潘毅, 邓瑾妮, 郑朝晖, 丁小斌. “滑轮环”拓扑结构增韧聚乳酸及其形状记忆性能和机理探究[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(12): 2797.
[15]	刘蓓, 高培, 李慎慎, 肖运钦, 肖继军. 黏结剂PLA, PCL及其共聚物与CL-20/TNT共晶黏结性能的分子动力学模拟[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(11): 2556.