高取向立构复合化聚乳酸超细纳米纤维膜的制备及长效驻极与滤除PM0.3性能

doi:10.7503/cjcu20240210

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (10): 20240210.doi: 10.7503/cjcu20240210

高取向立构复合化聚乳酸超细纳米纤维膜的制备及长效驻极与滤除PM_0.3性能

王存民¹, 江亮², 李佳琪¹, 李欣雨¹, 张一帆², 袁慧¹, 张明明³, 朱金佗¹, 徐欢², 雷磊⁴, 侯冲⁴, 郭震⁴, 何新建¹()

^1.中国矿业大学安全工程学院
^2.材料与物理学院，徐州 221116
^3.中国安全生产科学研究院，北京 100012
^4.北京新风航天装备有限公司，北京 100854

收稿日期:2024-04-23 出版日期:2024-10-10 发布日期:2024-08-13
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(52003292);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_1403, KYCX24_2914)资助

Preparation of Aligned Stereocomplexed Poly（lactic acid） Nanofibrous Membranes for Long-term Electret and Efficient PM_0.3 Filtration

WANG Cunmin¹, JIANG Liang², LI Jiaqi¹, LI Xinyu¹, ZHANG Yifan², YUAN Hui¹, ZHANG Mingming³, ZHU Jintuo¹, XU Huan², LEI Lei⁴, HOU Chong⁴, GUO Zhen⁴, HE Xinjian¹()

^1.School of Safety Engineering
^2.School of Materials Science and Physics，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China
^3.China Academy of Safety Science and Technology，Beijing 100012，China
^4.Beijing Innowind Aerospace Equipment Co. ，Ltd. ，Beijing 100854，China

Received:2024-04-23 Online:2024-10-10 Published:2024-08-13
Contact: HE Xinjian E-mail:xinjian.he@cumt.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52003292);the National Key R&D Program, China(2023YFC3011704);the Graduate Innovation Program of China University of Mining and Technology(2024WLKXJ143);the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(2024-10958);the Postgraduate Research & Practice Innovation Program of Jiangsu Province, China(Nos.KYCX24_2917, SJCX24_1403, KYCX24_2914)

摘要/Abstract

摘要：

利用聚L-乳酸(PLLA)和聚D-乳酸(PDLA)链之间建立的立构复合产生强的分子间相互作用，并通过高压电场极化和高倍取向拉伸赋予聚乳酸(PLA)纳米纤维高的取向和细化，同时促进电活性相(β相、立构复合晶)的形成. 得益于高取向的纤维形貌和优异的电活性，高取向立构复合化PLA(AS-PLA)纳米纤维膜的介电常数和表面电位分别高达1.68和5.4 kV. 同时， AS-PLA纳米纤维膜表现出卓越的过滤性能和摩擦电性能，特别是PDLA添加量为40%时制备的PLLA/PDLA40纳米纤维膜，即使在85 L/min的高气流量下对超细空气颗粒物(PM_0.3)的滤除效率仍达到90.51%，且空气阻力仅为240.6 Pa，明显优于纯PLA纤维膜（滤除效率80.34%，空气阻力251.4 Pa). 此外，在高湿度(RH=70%)和高强度呼吸气流(85 L/min)条件下，由AS-PLA纳米纤维膜作为摩擦电活性层组装的摩擦纳米发电机(TENG)过滤器仍显示出优异的PM_0.3去除效率，达到95.02%，远远超过普通PLA过滤器(去除效率仅为89.50%)，表现出强的电荷再生能力. 电活性的提高显著改善了纳米纤维膜的初始极化能力和摩擦电性能，在保证纤维膜初始电荷充足的同时可依赖摩擦电效应实现电荷再生，在不牺牲空气阻力的前提下实现长效过滤.

关键词: 立构复合化聚乳酸, 取向纤维, 电活性, 摩擦电效应, 超细空气颗粒物滤除

Abstract:

The stereocomplexation between poly（L-lactide）（PLLA） and poly（D-lactide）（PDLA） chains was used to generate strong intermolecular interactions， which could be further enhanced by using high-voltage electric field and intensive mechanical stretching to prompt extreme alignment and refinement of poly（lactic acid）（PLA） nanofibers and the formation of electroactive phase（i.e.， β phase， stereoscopic complexation crystal）. Due to the aligned nanofiber morphology and excellent electroactivity， the dielectric constant and surface potential of aligned stereocomplexed PLA（AS-PLA） nanofibrous membranes were increased to 1.68 and 5.4 kV， respectively. Moreover， AS-PLA nanofibrous membranes showed excellent filtration performance and triboelectric performance. In particular， the PLLA/PDLA40 prepared with 40% PDLA addition achieved an ultrafine air particle（PM_0.3） removal efficiency of 90.51% and an air resistance of only 240.6 Pa at airflow capacity of 85 L/min， which was significantly superior to pure PLLA fibrous membrane（80.34%， 251.4 Pa）. In addition， even at high humidity（RH=70%） and high respiratory airflow capacity（85 L/min）， the triboelectric nanogenerator（TENG） based filter assembled with AS-PLA nanofibrous membrane as the triboelectric layer showed excellent PM_0.3 removal efficiency of 95.02%， far exceeding that of normal PLA filters（only 89.50%）. The increase of electroactivity significantly improved the initial polarization ability and triboelectric performance of the nanofibrous membranes， which could rely on the triboelectric effect to achieve charge regeneration while ensuring the sufficient of the initial charge. It ensures long-term filtration without sacrificing air resistance.

Key words: Stereocomplexed poly（lactic acid）, Aligned fiber, Electroactivity, Triboelectric effect, Ultrafine air particles filtration

中图分类号:

O631

TrendMD:

王存民, 江亮, 李佳琪, 李欣雨, 张一帆, 袁慧, 张明明, 朱金佗, 徐欢, 雷磊, 侯冲, 郭震, 何新建. 高取向立构复合化聚乳酸超细纳米纤维膜的制备及长效驻极与滤除PM_0.3性能. 高等学校化学学报, 2024, 45(10): 20240210.

WANG Cunmin, JIANG Liang, LI Jiaqi, LI Xinyu, ZHANG Yifan, YUAN Hui, ZHANG Mingming, ZHU Jintuo, XU Huan, LEI Lei, HOU Chong, GUO Zhen, HE Xinjian. Preparation of Aligned Stereocomplexed Poly（lactic acid） Nanofibrous Membranes for Long-term Electret and Efficient PM_0.3 Filtration. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(10): 20240210.

图/表 9

Fig.1 Distribution of PM concentrations in the experimental chamber

Fig.2 SEM images(A—D), fiber diameter distributions(E—H), 2D WAXD patterns(I—L) and 2D⁃SAXS patterns(M—P) of Pure PLLA(A, E, I, M), PLA/PDLA20(B, F, J, N), PLA/PDLA40(C, G, K, O) and PLA/PDLA60(D, H, L, P)2D WAXD patterns（I—L） illustrate the crystalline morphology， 2D-SAXS patterns（M—P） describe the chain conformation in PLA nanofibers.

Fig.3 Full range(A) and corresponding local amplified(B—E) FTIR spectra(A—E) and XRD patterns(F) of Pure PLLA(a), PLA/PDLA20(b), PLA/PDLA40(c) and PLA/PDLA60(d)

Fig.4 Electrostatic adsorption capacity(A), surface potential(B), dielectric constant(C) and variations in surface potential as a function of the dielectric constant(D) of PLA nanofibrous membranesThe inset shows the digital photo of surface potential measurement.

Fig.5 PM0.3 removal performance for PLA nanofibrous membranes at airflow capacities of 10 L/min(A), 32 L/min(B), 65 L/min(C) and 85 L/min(D)

Fig.6 Quality factors for PLA nanofibrous membranes at airflow capacities of 10, 32 L/min(A) and 65, 85 L/min(B)

Fig.7 SEM images of Pure PLLA(A1, A2), PLLA/PDLA20(B1, B2), PLLA/PDLA40(C1, C2) and PLLA/PDLA60(D1, D2) after filtration tests with different magnifications

Fig.8 Open⁃circuit voltage(A), short⁃circuit current(B) and output charge quantity(C) of TENG based on PLA nanofibrous membranesa. Pure PLLA; b. PLLA/PDLA20; c. PLLA/PDLA40; d. PLLA/PDLA60.The testing time for each sample is 10 s.

Fig.9 PM0.3 removal efficiency(A) and output voltage(B) of TENG based on PLA nanofibrous membranesa. Pure PLLA; b. PLLA/PDLA20; c. PLLA/PDLA40; d. PLLA/PDLA60. (B) The testing time for each sample is 40 s.

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高取向立构复合化聚乳酸超细纳米纤维膜的制备及长效驻极与滤除PM_0.3性能

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