用于空气过滤应用的电纺纳米纤维聚合物膜的制

本公开涉及用于空气过滤应用的材料。相关技术说明通常将清洁空气视为促进人类健康和福祉的基本要求。空气污染——包括颗粒物(pm)以及化学和生物污染物——对全球健康构成了重大威胁。世界卫生组织报告称，2016年空气污染导致全球420万人过早死亡。参见世界卫生组织，“ambient(outdoor)airpollution,”2021(可查阅：https://www.who.int/en/news-room/fact-sheets/detail/ambient-(outdoor)-air-quality-and-health)。空气质量差，包括有害污染物和病原体，会增加各种疾病的风险，包括呼吸道感染、心血管疾病、慢性阻塞性肺病和各种癌症。非常需要使用空气过滤器来减少人类暴露于有害污染物和病原体。然而，目前可获得的商用空气过滤器通常由多层厚纤维材料构成以实现高过滤效率，这导致显著的气流阻力。参见，例如，wang,c.等人，“silk nanofibers as high efficient and lightweightair filter,”nano res.2016,9,2590-97。人们关注于在空气过滤中使用纳米纤维以产生高效率、低气流阻力、轻重量的空气过滤器。参见，例如，wang,c.-s.等人，“removal ofnanoparticles from gas streams by fibrous filters:a review,”ind.eng.chem.res.2013,52,5–17；peng,l.等人，“air filtration in the freemolecular flow regime:a review of high-efficiency particulate air filtersbased on carbon nanotubes,”small,2014,10,4543-61。此外，由于纳米纤维表面具有大表面积，有可能对纳米纤维表面进行改性以实现多功能性。空气过滤是提高室内空气质量的重要工具。因此，包含纳米纤维的空气过滤器在hvac应用中可能非常有用。人们还希望在空气过滤应用中去除挥发性有机化合物(voc)，因为各种voc具有许多已确定的有害健康影响。由于从室内空气中去除voc的传统方法存在各种缺点，许多最近的努力关注于使用光催化降解voc。参见singh,p.等人，“a review on biodegradationand photocatalytic degradation of organic pollutants:a bibliometric andcomparative analysis,”j.clean.prod.2018,196,1669-80；malayeri,m.等人，“modelingof volatile organic compounds degradation by photocatalytic oxidation reactorin indoor air:a review,”build.environ.2019,154,309-23。voc的光降解可能产生二氧化碳(co2)。包括二氧化碳(co2)在内的大量温室气体排放导致的全球气候变化正在对环境和公共健康造成令人担忧的威胁。因此，二氧化碳捕获技术引起了极大的关注。参见，例如，qi,g.等人，“high efficiency nanocompositesorbents for co2capture based on amine-functionalized mesoporous capsules,”energy environ.sci.2011,4,444-52；zainab,g.等人，“electrospun carbon nanofiberswith multi-aperture/opening porous hierarchical structure for efficient co2adsorption,”j.colloid interface sci.2020,561,659-67；wang,x.等人，“polyetheramine improves the co2 adsorption behavior oftetraethylenepentamine-functionalized sorbents,”chem.eng.j.2019,364,475-84。因此，光降解过程与co2去除相结合将减少光催化voc去除过程对全球气候变化的影响。此外，在各种应用中，可能需要对空气过滤器进行功能性改造，以便于去除病原体。传染性呼吸道病原体通常通过患者咳嗽或打喷嚏时从呼吸道排出的微滴、气溶胶或空气传播的颗粒传播，或在某些情况下通过简单的呼气来传播。为了防止这种形式的传播，可以使用空气过滤器来去除环境空气中的病原体，并防止个人吸入环境空气中存在的任何病原体。对于侧重于保护个人免受环境空气中存在的病原体侵害的应用，已开发出口罩和呼吸器，其可机械拦截传染性颗粒或使用各种机制消除传染性颗粒。因此，已经进行了许多研究和开发工作来提高口罩和呼吸器的过滤效率。covid-19疫情突显了各种应用对功能性防护纺织品的需求。功能性防护纺织品对于医疗专业人员、野外工作者和士兵的防护服尤为重要。参见，例如，zhu,q.等人，“aqcfunctionalized cncs/pva-co-pe composite nanofibrous membrane with flower-likemicrostructures for photo-induced multi-functional protective clothing,”cellulose,2018,25,4819-30,doi:10.1007/s10570-018-1881-5；liu,y.等人，“uv-crosslinked solution blown pvdf nanofiber mats for protective applications,”fibers polym.2020,21,489-97,doi:10.1007/s12221-020-9666-5。为限制皮肤接触空气中的固体颗粒，健康和安全监管机构已发布良好实践规范，并建议佩戴个人防护设备(ppe)以最大限度地减少对各种有害物暴露。化学和生物防护服(cbpc)被广泛使用，并被认为是个人防护设备中最经济的选择。对于空气中的纳米材料，5型cbpc被认为是抵御此类危险物的最后一道防线，因为根据iso 13982-1和iso 13982-2标准，它可以提供针对空气中固体颗粒的全身保护。参见国际标准化组织(iso)13982-1:2004；国际标准化组织13982-2:2004。通常用作5型cbpc基材的非织造材料和织造材料有几个缺点，例如渗透性和过滤性差。参见，例如，liu,y.等人上述文献；wingert,l.等人，“filtering performances of20 protective fabrics against solid aerosols,”j.occup.environ.hyg.2019,16,592-606。目前可商购的口罩和呼吸器要么过滤效率不足以拦截传染性颗粒，要么透气性不足以频繁方便地使用。lee,s.等人，“reusable polybenzimidazole nanofiber membranefilter for highly breathable pm2.5 dust proof mask,”acs appl.mater.interfaces,2019,11,2750-57,doi:10.1021/acsami.8b19741。此外，最近的covid-19疫情对口罩和呼吸器的抗病毒膜开发越来越关注，该膜将消灭接触口罩或呼吸器的病原体。这将防止传染性颗粒由于口罩与其他表面的无意接触或佩戴者用手触摸口罩的外表面而转移到另一个表面。已知许多抗病毒剂可适用于涂层或者可整合到个人防护设备中。参见，例如，tran,d.n.等人，“silver nanoparticles as potential antiviral agents againstafrican swine fever virus,”mater.res.express,2020,6(12),doi:10.1088/2053-1591/ab6ad8；moreno,m.a.等人，“active properties of edible marinepolysaccharide-based coatings containing larrea nitida polyphenols enrichedextract,”food hydrocoll.2020,102,105595,doi:10.1016/j.foodhyd.2019.105595；husen,a.“natural product-based fabrication of zinc-oxide nanoparticles andtheir applications,”in nanomaterials and plant potential,2019,193-219,springer；cheng,c.等人，“functional graphene nanomaterials based architectures:biointeractions,fabrications,and emerging biological applications,”chem.rev.2017,117,1826-1914；zhang,d.-h.等人，“in silico screening of chineseherbal medicines with the potential to directly inhibit 2019 novelcoronavirus,”j.integr.med.2020,18,152-8,doi:10.1016/j.joim.2020.02.005；美国专利号9,963,611和8,678,002。口罩的广泛使用，例如在covid-19疫情期间，也突显了对用于生产口罩和其他个人防护设备的透明材料的需求。例如，患有自闭症的儿童、听力有限的老年人和聋哑人可能在交流和社会互动方面会有困难，这使得这些人无法观察面部表情，因此这些人将在透明口罩的广泛使用中受益匪浅。透明口罩还将与面部识别技术兼容，例如用于身份认证的技术。纳米纤维膜的使用也为解决这一需求提供了希望。参见，例如，wang,c.等人，“highlytransparent nanofibrous membranes used as transparent masks for efficientpm0.3 removal,”acs nano,2022,16(1),119-28；xiao,y.等人，“preparation andapplications of electrospun optically transparent fibrous membrane,”polymers,2021,13(4),506。已知生产纳米纤维膜的各种技术，包括静电纺丝、相转化、界面聚合、拉伸和径迹蚀刻。静电纺丝是一种非常有用的技术，它能提供高效率和均匀的孔径。参见，例如，ray,s.s.等人，“acomprehensive review:electrospinning technique for fabrication andsurface modification of membranes for water treatment application,”rscadv.2016,6(88),85495-85514,doi:10.1039/c6ra14952a。静电纺丝是一种使用电场产生微米或纳米尺度的连续纤维的工艺。静电纺丝能够直接控制支架的微结构，包括例如纤维直径、取向、孔径和孔隙率等特征。电纺纳米纤维具有广泛的应用。这些包括抗菌食品包装、生物医学应用和环境应用。参见，例如，lin,l.等人，“cold plasma treated thyme essential oil/silk fibroinnanofibers against salmonella typhimuriumin poultry meat,”food packag.shelflife,2019,21,100337；zhu,y.等人，“a novel polyethylene oxide/dendrobiumofficinale nanofiber:preparation,characterization and application in porkpackaging,”food packag.shelf life,2019,21,100329；surendhiran,d.等人，“encapsulation of phlorotannin in alginate/peo blended nanofibers to preservechicken meat from salmonella contaminations,”food packag.shelf life,2019,21,100346；khan,m.q.等人，“the development of nanofiber tubes based onnanocomposites of polyvinylpyrrolidone incorporated gold nanoparticles asscaffolds for neuroscience application in axons,”text.res.j.2019,89,2713-20,doi:10.1177/0040517518801185；ullah,s.等人，“antibacterial properties of insitu and surface functionalized impregnation of silver sulfadiazine inpolyacrylonitrile nanofiber mats,”int.j.nanomedicine,2019,14,2693-2703,doi:10.2147/ijn.s197665；khan,m.q.等人，“fabrication of antibacterial electrospuncellulose acetate/silver-sulfadiazine nanofibers composites for wounddressings applications,”polym.test.2019,74,39-44.doi:10.1016/j.polymertesting.2018.12.015；ray,s.s.等人上述文献。电纺纳米纤维纺织品被认为用于cbpc的有前途的候选物。参见，例如，lee,s.等人，“transport properties of layered fabric systems based on electrospunnanofibers,”fibers polym.2007,8,501-06；bagherzadeh,r.等人，“transportproperties of multi-layer fabric based on electrospun nanofiber mats as abreathable barrier textile material,”text.res.j.2012,82,70-76。电纺聚合物纳米纤维可表现出非常高的外表面积、优异的水蒸气传输性能和良好的机械强度。参见，例如，huang,z.等人，“a review on polymer nanofibers byelectrospinning and their applications in nanocomposites,”compos.sci.technol.2003,63,2223-53。由电纺聚合物纳米纤维制造纺织品产生超薄、轻重量和高拉伸强度的纺织品。参见，例如，lee,s.等人上述文献；dhineshbabu,n.r.等人，“electrospun mgo/nylon6hybrid nanofibers for protective clothing,”nano-micro lett.2014,6,46-54；han,y.等人，“reactivity and reusability of immobilized zinc oxide nanoparticles infibers on methyl parathion decontamination,”text.res.j.2013,86,339-49。静电引力会导致小颗粒被纳米纤维吸引。然而，这种静电引力往往会相对较快地消失。将静电相互作用的原理与摩擦电纳米发电机(teng)相结合，可用于从日常活动(例如呼吸、说话、面部表情)中获取机械能，从而在纳米纤维过滤介质上产生电荷，并延长静电吸引的持续时间。这延长了至少部分依赖静电引力进行过滤的过滤器的使用寿命。peng等人公开了一种透气、可生物降解、抗菌和自供电的电子皮肤，其将银纳米线电极夹在聚乳酸-羟基乙酸共聚物(plga)摩擦电层和聚乙烯醇(pva)基材之间。peng,x.等人，“a breathable,biodegradable,antibacterial,and self-powered electronic skinbased on all-nanofiber triboelectric nanogenerators,”sci.adv.2020,6(26),eaba9624。sun等人公开了一种具有多层结构的全纤维透气防水可穿戴装置，该多层结构由pa66/碳纳米管纳米纤维层、聚偏二氟乙烯(pvdf)层和导电织物层组成。sun,n.等人，“waterproof,breathable and washable triboelectric nanogenerator based onelectrospun nanofiber films for wearable electronics,”nano energy,2021,90,106639。jiang等人公开了电纺纳米纤维以开发多功能全纳米纤维基teng，其具有防紫外线、防水、抗菌、自清洁和自供电性能。jiang,y.等人，“uv-protective,self-cleaning,andantibacterial nanofiber-based triboelectric nanogenerators for self-poweredhuman motion monitoring,”acs appl.mater.interfaces,2021,13(9),11205-14。chen等人公开了通过聚丙烯酰胺肟(paao)和聚丙烯腈(pan)的静电纺丝来整合亲核肟部分而产生的官能化纳米纤维垫。这些功能化纳米纤维垫显示出水解化学神经毒剂的显著能力。chen,l.等人，“multifunctional electrospun fabrics via layer-by-layerelectrostatic assembly for chemical and biological protection,”chem.mater.2010,22,1429-36。choi等人公开了由n-氯乙内酰脲(nch-pu)官能化的合成聚氨酯纳米纤维。这些纳米纤维成功地净化了一种模拟v型神经毒气的物质(甲基内吸磷)。choi,j.等人，“n-chlorohydantoin functionalized polyurethane fibers toward protective cloth againstchemical warfare agents,”polymer,2018,138,146-55。146-55。各种整合了纳米纤维的金属纳米颗粒已被公开并已被提议用于防护服和口罩中，以屏蔽有害化学品和生物制剂。参见，例如，ramaseshan,r.等人，“zinc titanatenanofibers for the detoxification of chemical warfare simulants,j.am.ceram.soc.2007,90,1836-42。lee等人公开了保护使用者免受化学战剂模拟物(cwa)伤害的功能性pan纳米纤维网。lee,j.等人，“preparation of non-woven nanofiber webs for detoxification ofnerve gases,”polymer,2019,179,121664。zhao等人公开了金属有机框架(mof)整合到聚酰胺-6纳米纤维。mof-纳米纤维复合材料对解毒cwa的表现出优异的反应性。zhao,j.等人，“ultra-fast degradation ofchemical warfare agents using mof–nanofiber kebabs,”angew.chem.int.ed.2016,55,13224-28。赵等人公开了一种制备无氟、高效且可生物降解的防水透气膜的分步浸涂和热固化方法。zhao,j.等人，“fluorine-free waterborne coating for environmentallyfriendly,robustly water-resistant,and highly breathable fibrous textiles,”acsnano,2020,14(1),1045-54。zhang等人公开了一种基于电纺纳米纤维膜的具有多层仿木蜂窝网络和互连开放通道的湿气泵，用于太阳能驱动的连续室内除湿。zhang,y.等人，“super hygroscopicnanofibrous membrane-based moisture pump for solar-driven indoordehumidification,”nat.commun.2020,11(1),3302。由于纳米纤维生产工艺规模化面临挑战，基于纳米纤维的空气过滤器目前仍很少见。因此，仍然需要开发一种可规模化的纳米纤维平台来生产用于空气过滤应用的纳米纤维膜。背景技术：技术实现思路1、本文公开了一种电纺聚合物纳米纤维膜，其可提供高过滤效率和优异孔隙率。2、该膜可用一种或多种抗微生物剂或抗病毒剂处理。在一些实施方案中，膜可用抗病毒剂处理，所述抗病毒剂选自石墨烯、纳米颗粒、纳米复合材料、多价金属离子和天然产物的药用或其他提取物。这种处理可优选是在膜表面上涂覆一种或多种抗病毒剂。或者，可以将一种或多种抗病毒剂浸渍到纳米纤维膜中。3、该膜可额外或替代地浸渍有一种或多种金属有机骨架(mof)。一种或多种mof可以例如是一种或多种锆mof。mof可以提供对化学战剂(cwa)和其他有毒化学剂的过滤；在一些实施方案中，还可以提供对小颗粒和病原体的额外或替代过滤。4、该膜可额外或替代地包含一种或多种用于去除挥发性有机化合物(voc)的光催化剂。5、所公开的膜可优选具有高过滤效率。6、在一些实施方案中，所公开的膜的孔隙率足以提供适于用作口罩或呼吸器的透气性特征。所公开的膜适用于制造对传染性病原体和/或其他小颗粒具有高抵抗性的口罩和呼吸器。7、在一些实施方案中，所公开的膜可适用于制造用于室内空气过滤应用的空气过滤器，例如用于hvac系统的空气过滤器。8、在一些实施方案中，所公开的膜可与有助于去除二氧化碳的单独膜(例如碳纳米纤维膜)结合使用。9、在一些实施方案中，所公开的膜可为基本透明的。