DOI: 10.1002/advs.202003155

由于冠状病毒大流行以及悬浮颗粒物（PM）等相关问题，人们对口罩的需求呈指数级增长。然而，常规的静电和纳米滤膜口罩都是一次性的，并且不可降解或回收，这造成了严重的环境污染和浪费。此外，前者在潮湿条件下会丧失功能，而后者在高空气压降下将面临着相对较快的孔堵塞。本研究开发了一种可生物降解、防潮、高度透气的高性能纤维口罩过滤器。简而言之，将两种可生物降解的超细纤维和纳米纤维膜整合到Janus膜过滤器中，然后用带阳离子电荷的壳聚糖纳米晶须进行涂覆。该过滤器的效率与市售N95过滤器相同，可去除98.3％的2.5µmPM。纳米纤维可物理筛选出细小的PM，而超细纤维可提供59Pa的低压差，这会使人体呼吸相对舒适。与商用N95过滤器暴露于湿气时性能急剧下降相反，该过滤器的性能损失可忽略不计，因此可多次使用，因为壳聚糖的永久偶极子吸附超细PM（例如氮和硫氧化物）。重要的是，这种过滤器在堆肥土壤中4周内可完全分解。

图1.常规和所开发的口罩过滤器的颗粒物（PM）过滤机理，使用特性以及对环境的影响。a）常规非织造纤维过滤器的两种不同的代表性PM捕集机制及其相应的缺点：基于超细纤维的静电过滤器的临时电荷，基于纳米纤维的物理过滤器的高压降和环境污染（由于口罩是一次性的）。b）所开发的壳聚糖涂覆PBS纳米纤维/超细纤维集成Janus膜过滤器的突出特点：永久保存离子电荷，低压降使用户呼吸相对舒适，且具有生物降解性。

图2.由不同浓度的溶液生产PBS超细纤维和纳米纤维的过程、形态和PM去除性能。a）静电纺丝装置和PBS纤维垫的制备示意图。b）所制备的PBS纳米纤维垫。c）所制备的超细纤维垫的SEM图像及其平均纤维直径和孔径。d）所制备的纳米纤维垫的SEM图像及其平均纤维直径和孔径。e）不同纺纱时间制备的PBS超细纤维（灰色）和纳米纤维（红色）垫的基重（g m-2）≈厚度。f）具有相似基重（分别为2.0和2.5 g m-2）的超细纤维（灰色）和纳米纤维（红色）垫对不同粒径PM的去除效率。去除效率是在1.0m/s的风速下测定的。

图3.CsW涂覆过滤器及其过滤性能。a）使用CsW分散液浸涂的PBS纤维垫，长度约为200nm的CsWs的SEM图像。b）用于研究纯PBS纤维和均匀涂覆CsW-PBS纤维的EDS图。c）CsW对使用超细纤维垫（左图）和纳米纤维垫（右图）去除PM1.0、PM2.5和PM10的效率的影响，CsW涂层之前（深灰色：M2.0和深红色：N2.5）和之后（浅灰色：ChM2.0，浅红色：ChN2.5）。d）用CsW涂覆超细纤维（灰色：ChM2.0）和纳米纤维（红色：ChN2.5）垫之前和之后的压差。在空气流速为1.0m/s的条件下测定去除效率和压降。

图4.具有优异特性（例如低压降、高效率和永久电荷）的集成过滤器。比较单层和集成过滤器的a）压降，b）PM去除效率和c）品质因数。d）通过廷德尔光散射证明，成功阻隔了香烟源中的PM。e）SEM图像显示集成过滤器的物理和静电PM捕获能力。f）商用N95和集成过滤器暴露于湿气后效率下降。

图5.所开发过滤器的生物降解性。a）CsW涂覆PBS过滤器的时间依赖性酶降解图像以及重量损失随时间的变化（酶：疏棉状嗜热丝孢菌脂肪酶）。b）图像显示在堆肥土壤中CsW涂覆PBS过滤器随时间的降解情况。