纳米纤维素纤丝（CNFs）作为一大类新型材料，因其具有高比表面积和可调控孔隙结构在空气净化领域备受研究工作者的青睐。然而，CNFs富含大量的羟基基团，其固有的亲水性导致CNFs基空气过滤膜抗湿性能不足，已成为阻碍其在空气净化领域应用的关键因素。在诸多提升材料抗湿性能的尝试中，采用疏水化的研究策略以初见成效，但不可避免的会牺牲CNFs孔隙结构，导致过滤性能的降低。此外，材料表面界面的疏水功能化难以保持整体结构的抗湿性能。因此，如何在维持CNFs基空气过滤膜过滤性能的前提下，进一步提升其抗湿性能仍然是一个巨大的挑战。
针对上述问题，广西大学陆登俊课题组报道了一种具有高效过滤和抗湿性能优异的超疏水纳米纤维素纤丝空气过滤膜。这项工作选用了高长径比的CNFs，采用简单的硅烷化改性方式提升了CNFs的疏水性能，并通过冷冻干燥技术获得了具有高比表面积和孔隙率的CNFs基空气过滤膜（图1）。通过硅烷修饰后CNFs的疏水性能得到明显改善，水接触角达154.2°，同时截面的疏水性与表面相似，表明过滤膜整体结构具有优异的疏水抗湿性能（图2）。此外，通过对CNFs基空气过滤膜的微观孔隙结构表征分析发现，当硅烷改性剂添加量低于1%wt时有助于提升比表面积和孔隙率。因此，过滤性能得到提高，对PM2.5的过滤效率最高可达99.75%。同时，过滤阻力低至42 Pa，品质因子高达0.122 Pa-1，表明这是一款具备高效过滤性能的空气过滤器（图3）。值得注意的是，在高湿度露点温度的条件下，硅烷改性后的空气过滤膜抗湿过滤性能提升了50倍，同时水蒸气透过率也得到了提升，表明材料的抗湿性能得到显著提升（图4）。此外，通过持续12 h的高湿度空气过滤实验证明了硅烷化CNFs基空气过滤膜具有良好的稳定性。这表明，硅烷化CNFs空气过滤膜在室外集尘器和可穿戴设备中具有巨大的应用潜力。
图1 CNFs硅烷化疏水改性过程示意图
图2硅烷化CNFs空气过滤膜疏水性能表征
图3硅烷化CNFs空气过滤膜的过滤性能测试
图4硅烷化CNFs空气过滤膜的抗湿性能及稳定性测试
该研究进展以《Super-hydrophobic Cellulose Nanofiber Air Filter with Highly Efficient Filtration and Humidity Resistance》为题发表在ACS Applied Materials and Interfaces上。该论文第一作者为广西大学轻工与食品工程学院2019级硕士研究生刘涛，通讯作者为广西大学轻工与食品工程学院陆登俊副教授。
论文信息：TaoLiu, Chenchen Cai, Ruijia Ma, Yongfei Deng, Lingyun Tu, Yifeng Fan, andDengjun Lu*. Super-hydrophobic Cellulose Nanofiber Air Filter with Highly Efficient Filtration and Humidity Resistance. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021. DOI:10.1021/acsami.1c04258
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c04258
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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