PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜的制备及高效滤除超细颗粒物性能

doi:10.7503/cjcu20240426

高等学校化学学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 20240426.doi: 10.7503/cjcu20240426

PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜的制备及高效滤除超细颗粒物性能

王圣程¹, 王存民², 郝雅馨², 朱桂英³, 李欣雨², 宋欣译², 张明明⁴, 徐欢³, 何新建²()

^1.徐州工程学院土木工程学院, 徐州 221018
^2.中国矿业大学安全工程学院, 徐州 221116
^3.中国矿业大学材料与物理学院, 徐州 221116
^4.中国安全生产科学研究院, 北京 100012

收稿日期:2024-09-14 出版日期:2025-02-10 发布日期:2024-11-25
通讯作者: 何新建 E-mail:xinjian.he@cumt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52174222);国家重点研发计划项目(2023YFC3011704);中国矿业大学研究生创新计划项目(2024WLKXJ143);中央高校基本科研业务费专项资金(2024-10958);江苏省研究生科研与实践创新计划项目(批准号(KYCX24_2917);SJCX24_1047, KYCX24_2914, KYCX24_2937)资助

ZIF-8 Nanosheet-functionalized Poly（lactic acid） Nanofibrous Membranes for Efficient Filtration of Ultrafine Particles

WANG Shengcheng¹, WANG Cunmin², HAO Yaxin², ZHU Guiying³, LI Xinyu², SONG Xinyi², ZHANG Mingming⁴, XU Huan³, HE Xinjian²()

^1.School of Civil Engineering，Xuzhou University of Technology，Xuzhou 221018，China
^2.School of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China
^3.School of Materials Science and Physics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China
^4.China Academy of Safety Science and Technology，Beijing 100012，China

Received:2024-09-14 Online:2025-02-10 Published:2024-11-25
Contact: HE Xinjian E-mail:xinjian.he@cumt.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52174222);the National Key Research and Development

摘要/Abstract

摘要：

通过微波辅助法制备了具有高比表面积的咪唑酸分子筛框架-8(ZIF-8)纳米片(ZIF-8-NS), 并将其作为纳米电介质均匀分散到聚乳酸(PLA)溶液中, 通过静电纺丝技术制备了ZIF-8-NS功能化PLA(PLA/ZIF-8-NS)纳米纤维膜；研究了PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜的微观结构及性能. 结果表明, ZIF-8-NS的加入使PLA/ZIF-8-NS纤维明显细化(平均直径253 nm), 且纤维表面粗糙度提升; PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜的表面电位达到10.4 kV, 介电常数达到2.71, 表现出优异的电荷存储能力; PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜对颗粒物的滤除性能优异, 在 85 L/min的高空气流速下对PM_0.3和PM_0.3~2.5的过滤效率分别达到95.57%和99.95%, 空气阻力为305.3 Pa, 且过滤360 min后对PM_0.3仍能保持98.50%的高过滤效率; PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜还具有优异的抗菌性能, 对金黄色葡萄球菌的抑菌率达到99.9%. 研究结果表明, PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜在实现长效低阻颗粒物滤除方面具有巨大潜力, 能够为高尘环境作业人员的呼吸健康防护提供重要保障.

关键词: 聚乳酸, 纳米纤维膜, 咪唑酸分子筛框架-8纳米片, 界面极化, 长效过滤

Abstract:

Zeolite imidazolate framework-8（ZIF-8） nanosheets（ZIF-8-NS） with high specific surface area were prepared by micro-assisted synthesis method， and uniformly dispersed into poly（lactic acid）（PLA） solution as nano-dielectrics， then ZIF-8-NS-functionalized PLA（PLA/ZIF-8-NS） nanofibers were prepared by electrospinning to improve the filtration efficiency and to achieve the long-lasting respiratory protection for the operators. The microstructure and properties of the prepared PLA/ZIF-8-NS nanofibrous membranes were investigated. It was found that the addition of ZIF-8-NS resulted in a significant refinement of PLA/ZIF-8-NS fibers（253 nm） and an increase in fiber surface roughness. The surface potential of PLA/ZIF-8-NS nanofibrous membrane reached 10.4 kV and the dielectric constant reached 2.71， demonstrating excellent charge storage capability. At the same time， the PLA/ZIF-8-NS nanofibrous membrane was given excellent filtration performance for ultrafine particles， and the filtration efficiency for PM_0.3 and PM_0.3—2.5 reached 95.57% and 99.95% respectively under the high air flow rate of 85 L/min， with an air resistance of 305.3 Pa， and the filtration efficiency for PM_0.3 still maintained at a high level of 98.50% after 360 min of filtration. In addition， the PLA/ZIF-8-NS nanofibrous membrane exhibited superior antimicrobial properties， with an inhibition rate of 99.9% against Staphylococcus aureus. These results indicate that PLA/ZIF-8-NS nanofibrous membranes have great potential to achieve long-term filtration and low resistance to ultrafine particles， which can provide an important safeguard for respiratory health protection of personnel operating in high dust concentration environment.

Key words: Poly（lactic acid）, Nanofibrous membrane, Zeolite imidazolate framework-8 nanosheets, Interface polarization, Long-term filtration

中图分类号:

O631

TrendMD:

王圣程, 王存民, 郝雅馨, 朱桂英, 李欣雨, 宋欣译, 张明明, 徐欢, 何新建. PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜的制备及高效滤除超细颗粒物性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(2): 20240426.

WANG Shengcheng, WANG Cunmin, HAO Yaxin, ZHU Guiying, LI Xinyu, SONG Xinyi, ZHANG Mingming, XU Huan, HE Xinjian. ZIF-8 Nanosheet-functionalized Poly（lactic acid） Nanofibrous Membranes for Efficient Filtration of Ultrafine Particles. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240426.

图/表 9

Fig.1 SEM(A, B) and TEM(C) images, TEM image(D) and element mappings(E—G) and EDS spectrum(H) of ZIF⁃8⁃NS

Fig.2 SEM images of Pure PLA(A1, A2), PLA/ZIF⁃8⁃NS1(B1, B2), PLA/ZIF⁃8⁃NS2(C1, C2) and PLA/ZIF⁃8⁃NS3(D1, D2) nanofibrous membranes

Fig.3 Diameter distribution of Pure PLA(A), PLA/ZIF⁃8⁃NS1(B), PLA/ZIF⁃8⁃NS2(C) and PLA/ZIF⁃8⁃NS3(D) nanofibrous membranes

Fig.4 XRD patterns(A) and FTIR spectra(B) of Pure PLA, PLA/ZIF⁃8⁃NS1, PLA/ZIF⁃8⁃NS2 and PLA/ZIF⁃8⁃NS3 nanofibrous membranes

Fig.5 Surface potential(A), dielectric constant(B) and linear relationship between surface potential and dielectric constant(C) for Pure PLA, PLA/ZIF⁃8⁃NS1, PLA/ZIF⁃8⁃NS2 and PLA/ZIF⁃8⁃NS3 nanofibrous membranes

Fig.6 Filtration efficiency for PM0.3(A), air resistance(B) and quantity factor(QF)(C) for filtering PM0.3 of Pure PLA and PLA/ZIF⁃8⁃NS nanofibrous membranes

Fig.7 Filtration efficiency for PM0.3—2.5(A) and QF for filtering PM0.3—2.5(B) of Pure PLA and PLA/ZIF⁃8⁃NSnanofibrous membranes, and SEM image of PLA/ZIF⁃8⁃NS3 nanofibrous membrane after filtration(C)Inset： enlarged image of PLA/ZIF-8-NS3.

Fig.8 Long⁃term filtration performance(A) and filtration mechanisms(B) of PLA/ZIF⁃8⁃NS3 nanofibrous membrane

Fig.9 Antimicrobial performance(A) and antibacterial mechanism(B) of PLA/ZIF⁃8⁃NS nanofibrous membrane

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PLA/ZIF-8-NS纳米纤维膜的制备及高效滤除超细颗粒物性能

ZIF-8 Nanosheet-functionalized Poly（lactic acid） Nanofibrous Membranes for Efficient Filtration of Ultrafine Particles

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