电纺纳米纤维膜因其大的比表面积、高孔隙率和细纤维直径，成为高性能空气过滤的首选。同时，应致力于探索更多生物基材料用于纳米纤维膜的制备以减轻环境与能源危机。水和乙醇是两种公认的绿色溶剂，广泛应用于各种绿色静电纺丝制备策略。然而，由于乙醇和水的沸点较低，挥发性相对较高，射流在静电纺丝过程中凝固过快，导致针头堵塞，严重影响纤维形态，显著降低了空气过滤性能，降低了制备效率。
厦门大学郑高峰副教授团队构建了延迟挥发的绿色溶液体系，采用一步静电纺丝法制备了结构优化的玉米醇溶蛋白/肉桂醛（CMA）复合纳米纤维膜。CMA的加入显著降低了溶液的挥发性，延迟了喷嘴的堵塞时间，从而平滑了静电纺丝过程。从静电纺丝开始到喷嘴堵塞的时间增加了300%以上，导致了纤维形态的显著改善。此外，CMA提高了玉米醇溶蛋白纳米纤维的疏水性，有助于提高空气过滤的稳定性，并赋予了纳米纤维一定的抗菌性能。
图1 基于延迟挥发性溶液体系构建与纤维结构优化策略
基于溶液挥发性优化策略的基础上，引入CMA来提高玉米醇溶蛋白溶液的电纺丝能力，实现了高性能生物基空气过滤器的一步绿色电纺丝技术。CMA的高沸点降低了溶液的挥发性，使静电纺丝过程更顺利。这种独特的溶液体系优化策略使得zein/CMA纳米纤维膜保持了较高的疏水性（水接触角115°），热稳定性（分解温度324.6℃），机械强度（2.43MPa）。与传统的使用乙醇和水的纯玉米醇溶蛋白纤维（表现出大量的折叠、凹和大尺寸的珠形）相比，含CMA的玉米醇溶蛋白纤维形态更好（均匀，少量串珠纤维），因此含有CMA的纤维表现出更高的空气过滤性能，在32L/min空气流量下，对超细颗粒（PM0.3）的过滤效率达到99.25%，阻力仅为58.2 Pa，品质因数QF达到0.084 Pa-1 ，远高于KN95口罩（品质因数仅为0.06Pa-1）。由于肉桂醛精油的大量添加，所制备纳米纤维膜具有良好的抗菌特性，对大肠杆菌和金黄葡萄球菌的抑菌率均大于99%。
主要亮点：
1、这项工作阐明了肉桂醛作为精油提取物，凭借其高沸点物理性质，能够通过延迟挥发，提高溶液可纺性，改善纤维形貌。
2、肉桂醛与玉米醇溶蛋白之间的结合力赋予其一定的可纺性和缓释能力，肉桂醛的包封率大于40%，且能留存至少10天。
3、肉桂醛的加入增强了纳米纤维膜的疏水性、机械性能，并赋予了纳米纤维膜一定的抗菌性能。
4、延迟挥发策略将推动精油及其提取物在空气过滤领域的更广泛应用，推动基于生物基材料实现抗菌空气过滤器的开发和商业化。然而，肉桂醛只是天然肉桂精油的组成部分之一，需要通过一个需要时间、精力和资源的繁琐过程中分离出来。从绿色化学的角度来看，如果肉桂醛可以被天然肉桂油取代，并且仍然能够实现电纺丝性，这将是很有趣的。
相关成果以“Biobased Nanofibrous Membrane via Delayed-Volatilizing Green Electrospinning for High-Performance Air Filtration”为题发表在国际著名化工期刊ACS Applied Polymer Materials。论文的第一作者为厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院硕士研究生沈锐敏，通讯作者为厦门大学郑高峰副教授，参与工作的还有博士研究生邵尊桂，硕士研究生李浩男、曾紫悦、谢俊杰，以及厦门大学刘益芳副教授、郭淑敏老师，厦门理工学院姜佳昕老师、王翔教授、李文望教授。
原文地址：https://doi.org/10.1021/acsapm.3c01666
图2 基团相互作用与疏水性能探究
图3 纤维形貌优化探究
图4 精油发挥延迟挥发作用的探究
图5 纤维膜过滤性能探究