用于高性能与清新呼吸防护的乙基纤维素/薄荷酮叶脉状纳米纤维膜

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Ethyl cellulose/menthone vein-like nanofibrous membrane for high-performance and refreshing respiratory protection

　　

摘要

高效地将液态小分子（LSM）负载于纳米纤维膜上，对于多功能集成高性能空气过滤至关重要。然而，由于分子间相互作用对制造工艺的耦合作用，同时优化 LSM 的持续释放效果与膜结构仍然极具挑战性。本文提出了一种基于氢键与范德华力相互适配的一步法绿色静电纺丝策略。使用乙醇和水作为溶剂以避免毒性。乙基纤维素提供丰富的氢键位点以降低薄荷酮的释放动力学，而薄荷酮的范德华力则有助于增强射流分裂行为。在施加电压为 24 kV、进料速率为 800 μL/h、针尖至收集器距离为 15 cm、相对湿度为 50 ± 3% 的条件下，高效制备出叶脉状纳米纤维膜，实现了薄荷酮的持续释放，并实现了高性能 PM_0.3 过滤及清新效果。该膜的拉伸强度为 0.90 MPa，断裂伸长率为 11.77%，表明具有充足的机械性能。其品质因数（QF）是 N95 口罩的 1.83 倍。完全生物基材料的使用及可降解性使该膜更加环保。此外，薄荷酮的高效持续释放确保了超过 10 小时的清新效果。本研究为高性能个人防护功能材料的绿色制造提供了有效策略。

引言

随着全球 COVID-19 大流行和呼吸疾病的持续威胁，口罩已成为人们日常生活中不可或缺的物品[[1], [2], [3], [4]]。目前，大多数口罩仍以聚丙烯（PP）为主要成分，对环境造成了日益严重的负面影响[[5], [6], [7]]。静电纺丝是一种制备纳米纤维膜的通用工艺，与生物基材料具有良好的兼容性，已成为实现可持续发展的关键[8,9]。为进一步增强口罩的整体性能，功能性材料被广泛引入，同时有利于高性能空气过滤的纤维结构，如珠状、波浪蓬松状、花状、蜂窝状、褶皱状和双峰结构，也在积极开发中[[10], [11], [12], [13], [14], [15]]。以植物精油为代表的功能性液态小分子具有可生物降解性，并具备一系列功能特性，包括抗菌、驱蚊和清新等。这些特性使其成为绿色制造功能纳米纤维的基本支柱[[16], [17], [18], [19], [20]]。为实现更持久的效果，功能性液态小分子通常依赖与聚合物基体的强相互作用来实现持续释放，这对控制静电纺丝射流行为提出了挑战。因此，绿色制造纳米纤维并将功能性液态小分子的高效负载与纳米纤维膜结构的优化协同结合，仍是一项重大挑战。

乙基纤维素（EC）是纤维素的衍生物，其原材料在自然界中非常丰富[21]。此前，我们课题组发现 EC 是少数能够使用绿色溶剂进行静电纺丝的少数生物基聚合物之一。它能诱导射流分裂行为形成叶脉状纳米纤维，并表现出良好的空气过滤性能[22,23]。然而，高效利用功能性液态小分子来同时实现 EC 纳米纤维的功能化和结构调控仍然是关键瓶颈，必须克服这一瓶颈才能推进空气过滤的可持续发展。本研究的目标是利用协同分子间相互作用，实现 EC/功能性液态小分子复合纳米纤维的高效绿色制造，并重点关注其在空气过滤中的多功能应用。

本研究基于水和乙醇，通过一步静电纺丝制备了 EC/薄荷酮（ME）叶脉状纳米纤维。ME 是从薄荷叶中提取的食品级香料，具有清新、清凉和镇痛等效果[24,25]。本研究的假设是，ME 可以通过氢键负载于 EC 上，从而显著增强持续释放效果；同时，适量的 ME 可以改善 EC 溶液中的范德华力，稀释 EC 链的拓扑约束，这在保持溶液的流变特性、延缓射流凝胶化、从而增加射流分裂能力方面起决定作用。EC 与 ME 的优化组合实现了持续释放效果、制造效率和空气过滤性能的综合提升。值得注意的是，叶脉状纳米纤维具有粗纤维与细纤维交织的双峰结构特征，这被认为是协同实现高效低阻力空气过滤的关键。EC/ME 叶脉状纳米纤维保持了良好的可降解性，并创新性地应用于开发具有清新和清凉效果的口罩。

章节摘要

材料

EC 粉末（M_w = 178,756，M_n = 58,206）购自裕源生物科技（中国）。通过质子 NMR 测定 EC 的 DS（乙基），以了解其化学结构。基于积分峰面积，DS(Et) 确定为 2.77。ME（纯度 = 98%）和乙醇（纯度 ≥ 99.9%）购自上海阿拉丁试剂有限公司（中国）。去离子水购自苏州凯通生物科技有限公司（中国）。醋酸缓冲液购自

EC/ME 纳米纤维膜设计

为实现功能性液态小分子持续释放纳米纤维用于高性能空气过滤的高效绿色制造，成功制备了 EC/ME 纳米纤维膜（图 1(a)），遵循三项原则：(I) 必须使用无毒或低毒绿色溶剂，且所有其他材料必须为生物基和可降解；(II) 所有组分必须具有良好的相容性，且功能性液态小分子应能够负载于

结论

本研究使用完全生物基和绿色材料，成功制备了 EC/ME 叶脉状纳米纤维膜，实现了 ME 的持续释放、高性能空气过滤和高效制造。利用 ME 的强范德华力和 EC 与 ME 之间的氢键改善了静电纺丝射流分裂行为。与 EC 膜相比，EC/24ME 膜被赋予了功能性，并实现了持续释放性能

CRediT 作者贡献声明

高强：验证、方法学、数据整理、概念化。邓长卓：正式分析。王启彬：正式分析。陈子涵：正式分析。陈瑞鑫：正式分析。李晓彤：正式分析。蒋佳鑫：正式分析。程翔：正式分析。邵宗贵：监督、方法学、调查、资金获取、正式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文所报告的工作。

致谢

本研究得到福建省科技厅（项目编号：2025J08024, 2024J010011）、国家自然科学基金（项目编号：52405632, 52275575, 52575458）、厦门市未来产业关键科技计划项目（项目编号：3502Z20254001）的支持。

高强 | 邓长卓 | 王启彬 | 陈子涵 | 陈瑞鑫 | 李晓彤 | 蒋佳鑫 | 程翔 | 邵宗贵

厦门大学磐石-萨微纳微纳米科学技术研究院，福建厦门，361102，中国