电纺纳米纤维表面改性喷雾沉积法的抗菌空气过滤效果比较分析

《Materials Science and Engineering: B》：Comparative analysis of surface modification spray depositions of electrospun nanofibers for antimicrobial air filtration

纳米纤维过滤材料表面改性研究：采用电纺制备PLA和PU纳米纤维膜，通过电喷雾和超声喷雾涂覆壳聚糖，发现电喷雾形成的滴状结构更利于增强PLA基材的过滤效率（99.97%）和抗菌性能，而超声喷雾导致膜层致密化影响孔隙分布。

　　在当前全球空气污染问题日益严重的背景下，空气过滤材料的研发和应用成为保障人类健康的重要课题。颗粒物（Particulate Matter, PM）被认为是空气污染中最具危害性的成分之一，尤其是直径小于2.5微米的细颗粒物（PM 2.5），其对呼吸系统和心血管系统的潜在威胁已被广泛研究。由于颗粒物具有较大的表面积与体积比，其能够吸附病毒等病原体，并促进其在空气中的传播，因此，开发具有高效抗菌性能的过滤材料显得尤为迫切。本研究聚焦于通过电纺技术和喷雾技术对纳米纤维材料进行表面改性，以提高其抗菌能力，从而增强空气过滤效果。

纳米纤维材料因其独特的物理和化学特性，在空气过滤领域展现出广阔的应用前景。它们通常具有高度互联的多孔结构、较大的比表面积以及可调控的纤维直径，这些特性使其能够高效捕获空气中的微小颗粒。此外，纳米纤维材料的表面可以进一步进行功能化处理，以增强其抗菌性能。例如，通过在纳米纤维表面涂覆具有抗菌特性的物质，如壳聚糖（Chitosan, CS），可以有效减少空气中细菌和病毒的传播风险。壳聚糖作为一种天然的抗菌聚合物，因其分子中带有正电荷的氨基（NH?）而表现出对革兰氏阴性和阳性微生物的广谱抗菌活性。然而，壳聚糖本身的高粘度和强氢键作用使其难以直接纺制成纯纳米纤维，因此，研究人员通常将其与其他聚合物复合，以提高其加工性能和最终产品的功能性。

本研究中，采用了两种表面改性技术——超声喷雾（Sonospraying）和电喷雾（Electrospraying）——来在纳米纤维材料上沉积壳聚糖。这两种技术在原理和应用效果上存在显著差异。超声喷雾技术通过高频率声波振动将液体混合物雾化为细小的液滴，形成均匀的涂层。其优势在于能够实现低能耗、高精度的沉积，并且对材料的破坏性较小。然而，研究发现，超声喷雾在沉积壳聚糖时，容易形成一层薄膜结构，这可能会对纳米纤维材料的多孔性产生不利影响，从而降低其过滤效率。相比之下，电喷雾技术利用高压电场使液体产生电荷，进而将液体拉伸为微米甚至纳米级的液滴。该技术能够产生更细小、更均匀的液滴，并且在纳米纤维表面形成点状沉积，有助于保持纤维的多孔结构，从而提升过滤性能。

在实验过程中，研究人员使用了两种不同的电纺纳米纤维材料作为基底：可生物降解的聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）和不可生物降解的聚氨酯（Polyurethane, PU）。这两种材料在空气过滤领域各有优势。PLA作为一种来源于天然资源的可生物降解材料，具有良好的透明性和光泽，其物理性能可以与聚苯乙烯（Polystyrene）相媲美。然而，PLA的高刚性和脆性在某些应用中可能成为限制因素。而PU作为一种合成材料，以其优异的柔韧性和可加工性著称，被广泛应用于医疗、农业、汽车等多个领域。在本研究中，PU被用作非生物降解的基底材料，而PLA则作为可生物降解的基底材料。通过将壳聚糖沉积在这些基底材料上，研究人员期望能够开发出兼具高效过滤能力和抗菌性能的纳米纤维材料。

实验结果显示，电喷雾技术在将壳聚糖沉积到纳米纤维材料上时表现更为优越。电喷雾沉积的壳聚糖形成了类似液滴的结构，而超声喷雾则倾向于形成连续的薄膜层。这种薄膜结构可能会改变纳米纤维材料的多孔分布，影响其对颗粒物的捕获能力。因此，电喷雾技术在保持纳米纤维材料原有结构的同时，能够更有效地将抗菌剂均匀分布在纤维表面，从而提升其抗菌效果。此外，研究还发现，电喷雾沉积的壳聚糖在PLA基底材料上表现出更强的结合能力，使得其抗菌性能得到了显著增强。相比之下，超声喷雾技术在PLA基底上的沉积效果较差，未能充分展现出壳聚糖的抗菌潜力。

为了验证壳聚糖沉积后的抗菌性能，研究人员依据修改后的ISO 22196:2011标准进行了抗菌活性测试。测试结果表明，电喷雾处理的样品表现出强烈的抗菌效果，而超声喷雾处理的样品则未能达到预期的抗菌水平。这进一步支持了电喷雾技术在抗菌涂层沉积方面的优势。同时，为了评估过滤性能，研究人员使用了自动过滤测试仪进行测试，结果表明电喷雾处理的纳米纤维材料在过滤效率方面表现出更高的性能，尤其是在对微小颗粒的捕获能力上。

本研究不仅探索了两种表面改性技术在纳米纤维材料上的应用，还揭示了它们在抗菌性能和过滤效率方面的差异。电喷雾技术因其能够形成更均匀、更细小的液滴，以及在保持纤维多孔结构方面的优势，被认为是一种更为有效的抗菌涂层沉积方法。而超声喷雾技术虽然具有一定的沉积能力，但其形成的薄膜结构可能对过滤性能产生负面影响。因此，在开发具有抗菌功能的空气过滤材料时，电喷雾技术可能更适合作为首选的表面改性方法。

此外，本研究还强调了壳聚糖在抗菌过滤材料中的应用潜力。作为一种天然的抗菌剂，壳聚糖不仅具有良好的抗菌性能，还能够通过其生物相容性和可降解性，为环保型过滤材料的开发提供新的思路。通过将壳聚糖与其他聚合物复合，研究人员能够克服其高粘度和强氢键的加工难题，从而实现更高效的纳米纤维材料制备。这一发现为未来抗菌过滤材料的工业化生产提供了理论支持和技术指导。

在实验方法上，研究人员采用了扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和透气性分析仪对纳米纤维材料的表面结构和孔隙分布进行了表征。SEM图像显示，电喷雾处理的样品在纳米纤维表面形成了较为均匀的壳聚糖沉积，而超声喷雾处理的样品则呈现出连续的薄膜结构，这可能影响其过滤性能。透气性分析仪的测试结果进一步验证了这一现象，表明电喷雾处理的样品在保持高过滤效率的同时，仍能维持良好的透气性，这对于实际应用中的空气过滤设备至关重要。

本研究的成果对于提升空气过滤材料的抗菌性能具有重要意义。通过优化表面改性技术，研究人员成功开发出一种新型的纳米纤维过滤材料，该材料不仅能够高效捕获空气中的颗粒物，还具备显著的抗菌能力。这种材料的应用有望在医疗、工业、环保等多个领域产生深远影响。例如，在医疗领域，这种材料可以用于防护口罩或空气过滤设备，以减少病原体的传播风险；在工业领域，它可以用于净化空气，提高工作环境的安全性；在环保领域，它能够有效减少空气污染对人类健康的危害。

然而，尽管本研究取得了积极的成果，但仍存在一些需要进一步探讨的问题。例如，如何进一步优化电喷雾和超声喷雾技术的参数，以实现更高效的抗菌涂层沉积？如何评估不同表面改性技术对纳米纤维材料长期性能的影响？此外，壳聚糖与其他抗菌剂的协同作用是否能够进一步提升过滤材料的抗菌效果？这些问题的解答将有助于推动抗菌过滤材料的进一步发展。

综上所述，本研究通过对比分析电喷雾和超声喷雾技术在纳米纤维材料上的应用效果，揭示了电喷雾技术在抗菌涂层沉积方面的优越性。实验结果表明，电喷雾处理的纳米纤维材料在抗菌性能和过滤效率方面均表现出更高的表现。这一研究为抗菌过滤材料的开发提供了新的方法和技术路径，同时也为未来相关材料的性能优化和应用拓展奠定了基础。随着对空气污染问题的深入研究和对健康防护需求的不断增长，具有高效抗菌性能的空气过滤材料将在未来的环境保护和公共健康领域发挥更加重要的作用。