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在新冠疫情背景下，传统口罩防护力有限。研究人员开展了以 PVDF、氧化石墨烯（GO）和氧化铜（Cu?O）纳米颗粒制备呼吸面罩的研究。结果显示优化后的面罩效率达 99% 、压降 36.57Pa，有抗菌抗病毒性，为呼吸防护提供新方案。
新冠疫情的爆发，让口罩成为人们生活中的必备品。传统口罩只能阻挡 50% 的呼出病毒，在病毒传播的严峻形势下，其防护效果捉襟见肘。为了提升口罩的防护性能，满足人们在疫情期间对高效防护的迫切需求，国外研究人员开展了一项关于新型呼吸面罩的研究。他们成功制备出一种含有聚偏二氟乙烯（PVDF）、氧化石墨烯（GO）和氧化铜（Cu?O）纳米颗粒的抗病毒呼吸面罩，并对其进行优化。该研究成果发表在《Carbon Trends》上，为疫情防控带来了新的希望。
研究人员主要运用了电纺技术（electrospinning）和响应面法（Response Surface Methodology，RSM）。电纺技术用于制备含有不同成分的纳米纤维面罩，响应面法则用于优化制备参数，确定最佳的材料配比。
实验结果
- 优化参数：通过 RSM 分析，建立了独立变量与呼吸面罩性能之间的定量关系。研究发现，PVDF（16.09%）、GO（2.40%）和 Cu?O（0.4414%）的组合能使面罩达到最佳性能，效率可达 99%，压降为 36.72Pa。此组合满足欧洲 EN149 标准中 FFP3 口罩类别以及美国国家职业安全卫生研究所（NIOSH）的 N99 标准要求，在高效过滤的同时，保证了良好的透气性，提升了使用者的舒适度。
- 纳米纤维形态：随着 PVDF 浓度从 14% 增加到 20%，纳米纤维的平均直径从 74.75nm 增大到 136.51nm 。GO 的加入对纤维平均直径影响较小，但会降低纤维的均匀性和纤维网密度；Cu?O 的加入会增加纤维直径的变化并略微降低平均直径。综合来看，直径在 85 - 95nm 的纤维更有利于实现最佳过滤性能，添加适量纳米颗粒能提升过滤效果并降低压降。
- 化学结构分析：傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，PVDF/GO/Cu?O 纳米复合材料中，β 晶相的比例有所增加。这是因为 GO 和 Cu?O 的存在改变了 PVDF 的晶体结构，促进了 β 晶相的形成，而 β 晶相对于提升口罩的机械性能和静电过滤效率至关重要。
- 元素分析：能量色散光谱（EDS）、X 射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析结果证实，纳米复合材料中含有预期的元素，且 Cu?O 和 GO 均匀分布在 PVDF 基质中。这些分析手段不仅确定了材料的成分，还证明了制备过程中各成分的稳定性，为口罩性能的稳定性提供了保障。
- 抗菌抗病毒性能：抗菌测试显示，该纳米复合面罩对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）表现出显著的抗菌活性，抗菌活性值分别为 3.05 和 2.87，有效抑制了细菌的生长和繁殖。在抗病毒方面，优化后的 PVDF/GO/Cu?O 纳米纤维表面具有较高的表面电荷和等电点（IEP 为 7.8），这使得纳米纤维能够有效破坏病毒与宿主受体的结合，干扰病毒的复制和感染过程，展现出良好的抗病毒性能。
研究结论与讨论
研究人员通过电纺技术制备了含有 PVDF、GO 和 Cu?O 纳米颗粒的呼吸面罩，并利用响应面法对其制备参数进行优化。优化后的面罩在过滤效率、压降、抗菌和抗病毒性能等方面表现出色。该研究成果为开发高性能呼吸面罩提供了新的思路和方法，对疫情防控以及未来应对传染病具有重要意义。它不仅满足了当前对高效防护口罩的需求，也为后续相关领域的研究和产品开发奠定了基础，有望在公共卫生领域发挥重要作用，助力全球抗击传染病的斗争。
