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具有N97级别的聚丙烯腈纳米纤维口罩展现出强大

发布日期:2021-09-25   

  2019年,新型冠状病毒病(COVID-19)爆发并迅速蔓延至全球。目前发现的COVID-19病毒的直径为60~140 nm,传播途径主要为直接传播、气溶胶传播和接触传播。因此,人们对N95级面罩(N95 FFR)需求量急剧增加。N95级口罩以聚丙烯(PP)熔喷非织造布为主。为了提高过滤效率并保持相对较低的阻力,PP纤维通过电晕放电方法,以通过静电荷为N95 FFR提供强大的颗粒附着力。但是,电荷会在使用过程中损失,导致口罩过滤效率随之下降。此外,考虑到卫生、损坏、呼吸阻力增加和过滤效率降低等因素,N95 FFR被限制重复使用。鉴于此,吉林大学于吉红院士团队开发了基于化学改性表面的稳定N97纳米纤维呼吸器,通过极性驱动的相互作用实现显著的过滤特性。其是通过涂覆聚丙烯腈纳米纤维膜(TFPNM)实现的,在0.42 Pa-1(过滤效率:超过 97%;压降:约 10 Pa)的情况下提供整体持久的过滤性能。柯萨奇B4病毒过滤测试表明,TFPNM同时具有强大的病毒捕获能力。与N95 FFR相比,TFPNM对更广泛的消毒方案(病毒种类:柯萨奇B4病毒(CV-B4)和一种微小的RNA病毒)具有更强的抵抗力,并且整体过滤特性保持N97标准。相关工作以“Polarity-dominated stable N97 respirators for airborne virus capture based on nanofibrous membranes”为题发表在国际顶级期刊《Angewandte Chemie》上。

  薄膜(TF)涂层电纺聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜(TFPNMs)通过静电纺丝技术制造,并通过界面聚合过程功能化,产生具有可变端基的浅黄色织物。与PP相比,TFPNMs具有更强的表面极性,可以通过不同的涂层使其改变。为了进一步评估TFPNM的稳定性,研究团队将纤维膜暴露在高温(>80 °C)、蒸汽气氛(>100 °C的高湿度)、75%酒精、氯化物消毒水和紫外线(UV)光等环境中进行测试。研究发现,TFPNM没有明显的损坏和重量损失,表明纤维几何形状没有发生变化。与初始TFPNM相比,后处理的TFPNM的表面极性保持不变。稳定的表面极性可以使膜与PMs/气溶胶之间形成稳定的极性相互作用,使TFPNMs在各种恶劣条件下具有可重复使用的巨大潜力。

  研究人员首先检查了TFPNMs对各种尺寸颗粒物(PMs)的捕获能力,以模拟其在危险空气质量条件下的空气过滤性能(图2)。实验室使用燃烧的香(含有多种污染物,如PM、CO、CO2、NO2等)来呈现有害颗粒物的水平。所有TFPNM的最佳基重控制在10 g/m2。具有不同表面极性的五件TFPNMs在过滤效率方面表现出较大的差异。表面极性从最低到最高对应的纤维膜对PM0.3的过滤效率结果从50.00%到97.45%不等。其中,具有氰基和羧基的TFPNMs表现出非常高的过滤效率,超过97%。为了研究TFPNMs的长期有效性,在有害空气下放置10h,测试了具有与PAN分子相同的末端基团TFPNM(CTFPNM)的质量状况。结果显示PAN纳米纤维膜(PNM)在10 小时后,对PM0.3的过滤效率从97.10%下降到94.57%,PM2.5的过滤效率从99.67%下降到99.42%。然而,CTFPNM的过滤特性保持稳定,10小时内对PM0.3和PM2.5的过滤效率分别超过97.00%和99.90%。

  研究人员引入了两种具有高表面极性的TFPNM(CTFPNM和cTFPNM)来比较其与N95 FFR对NaCl气溶胶的过滤特性(图3)。CTFPNM和cTFPNM的过滤效率均达到N97级,并在连续24小时过滤过程中保持稳定。相比之下,以带电PP熔喷非织造布为主的N95 FFR在过滤过程中表现出明显的不稳定性。通过静电效应进一步研究了TFPNM的过滤效率。对于带电的cTFPNM和CTFPNM,它们的过滤效率均略微提高到N98级。然而,由于表面静电荷的衰减(从0.15 kV降到0.02±0.03 kV),这些带电呼吸器膜的过滤效率在24小时后最终下降到N97级。作者进一步研究了TFPNM与来自不同国家的各种N95 FFR在空气过滤特性上的差异性。结果发现,在24小时连续过滤后,样品的过滤效率均下降至95%以下。在相同的实验条件下,24小时后N95 FFR的过滤效率均低于cTFPNM的过滤效率。

  将cTFPNM放置在柯萨奇B4病毒(CV-B4)和一种微小的RNA病毒(27~30 nm)气溶胶中以评估其过滤效率。并对N95 FFR(MEO品牌)进行了病毒过滤测试。结果显示,cTFPNM在24小时后仍保持N97级过滤效率,而MEO牌N95 FFR的过滤效率在24小时后降到95%以下。为了研究TFPNMs的可重用性,对cTFPNMs进行了五种处理方法:80 ℃热处理;蒸汽(100 ℃热基蛋白质变性);75%酒精(蛋白质变性);家用氯基溶液(细胞变性,有化学损伤);紫外线杀菌照射(DNA/RNA 破坏,UVC 254 nm)。在第一个处理周期后,cTFPNMs所有过滤效率保持在N97水平不变,压降保持在9~10 Pa。相比之下,N95 FFR在第一次循环后经过各种处理显示出不同的过滤性能。加热和紫外线杀菌照射(UVGI)可以保持大多数N95 FFR的过滤特性。然而,基于溶液处理的样品过滤效率急剧下降到50%~80%。

  注:(a)(b)为cTFPNM,(c)(d)为meo品牌N95 FFR的效率和压降