全球空气污染已成为一个紧迫问题，有害气体和颗粒物（如PM2.5和PM10）对人类健康和环境造成严重影响。传统空气过滤材料大多基于石油，缺乏生物可降解性，易造成二次污染。因此，开发高效、环保且可降解的空气过滤材料成为研究热点。静电纺丝纳米纤维膜因其高比表面积和高孔隙率，展现出优异的过滤性能。本研究通过调整生物可降解材料聚乳酸（PLA）和醇溶蛋白的比例，制备了具有可调节疏水性的纳米纤维膜，用于高效空气过滤。

本研究中，通过静电纺丝方法制备了一种由生物可降解的聚乳酸（PLA）和醇溶蛋白组成的纳米纤维膜（见图1）。通过实验和理论研究了所制备膜的形貌、过滤性能和降解性能。结果表明，通过改变PLA和醇溶蛋白的比例可以调节纳米纤维膜的疏水性。此外，当PLA与醇溶蛋白的比例为1:1时，实现了对PM2.5和PM10的最高过滤效率，分别为98.14%和97.39%，并具有最高的品质因数（QF）0.00738 Pa⁻¹。此外，该纤维膜对水性颗粒和油性颗粒均具有优异的吸附效果。且所制备的复合过滤器可以很容易地被生物降解，有助于保护生态环境。

图1. 电纺溶液的性质及交联玉米蛋白基纳米纤维的形貌。(a) 电纺溶液的电导率和黏度；(b) 纳米纤维的直径分布；(c) 数码照片；(d) 不同PLA与醇溶蛋白比例的纳米纤维膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。

1. 可调节疏水性

通过改变 PLA 与醇溶蛋白的比例，能够调节纳米纤维膜的疏水性，接触角最高可达 134°（见图2e）。随着 PLA 含量增加，膜疏水性增强；醇溶蛋白含量增加则亲水性增强。这是由于 PLA 疏水性高，且在纺丝过程中会影响纤维表面亲水性基团数量和膜表面平整度，进而改变接触角。

图2. 基于醇溶蛋白的纳米纤维的结构分析。(a) 不同PLA与醇溶蛋白比例的纳米纤维的傅里叶变换红外光谱（FTIR）曲线；(b) 蛋白质及其二级结构；(c) 不同PLA与醇溶蛋白比例的纤维膜的热重分析（TGA）曲线和(d) 差示热重分析（DTG）曲线；(e) 不同PLA与醇溶蛋白比例的纤维膜的接触角；(f) 接触角滴液照片。

2. 高过滤效率

不同 PLA / 醇溶蛋白比例的纳米纤维膜对颗粒物均有高吸附效率。当 PLA 与醇溶蛋白比例为 1:1 时，对 PM2.5 和 PM10 的过滤效率达到最高，分别稳定在 98.14% 和 97.39%（见图3d，e）。这是因为该比例下纤维直径较小，形成更致密的网格，且膜表面均匀平整、疏水性高，有利于捕获颗粒。图 3（f）展示了不同比例膜的品质因数（QF），同样表明在 PLA 与醇溶蛋白比例为 1:1 时，QF 达到最高值 0.00738 Pa⁻¹ 。

图3. 基于醇溶蛋白的纳米纤维膜的空气过滤性能。(a) 颗粒物过滤实验装置：(a1) 循环水多用途真空泵；(a2) 压降测试仪；(a3) 颗粒计数器；(a4) 固定装置；(a5) 气溶胶发生器；(a6) 颗粒物收集器；(b) 过滤前后的膜的数码照片和扫描电子显微镜（SEM）图像；(c) 颗粒的过滤效率曲线；(d) PM2.5的过滤效率曲线；(e) PM10的过滤效率曲线；(f) 品质因数；(g) (h) 油性颗粒和水性颗粒的过滤效率曲线；(i) 过滤过程中过滤器捕获颗粒的五种主要机制。

3. 良好的生物可降解性

在自然土壤条件下，该纳米纤维膜展现出良好的可降解性。添加醇溶蛋白显著加快了 PLA 的降解速度，使膜逐渐分解成小块，而纯 PLA 膜降解缓慢。图 4（b）的 FTIR 曲线反映了降解过程中化学结构的变化，证明膜发生了降解；图 4（c）的数码照片和 SEM 图像直观展示了不同时间、不同比例膜的降解形态，体现出含醇溶蛋白膜的明显降解。

图4. 纳米纤维膜的降解分析。(a) 自然环境中土壤生物降解的示意图；(b) 降解21天后的纳米纤维膜的傅里叶变换红外光谱（FTIR）；(c) 降解21天的纳米纤维膜的数码照片和扫描电子显微镜（SEM）图像。

综合研究，醇溶蛋白衍生的纳米纤维作为环保材料，在高性能和多功能空气过滤应用方面展现出巨大的潜力。它们有可能为减少材料制造过程中的污染开辟新途径。

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查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130422