近日，我院个体防护关键材料研发团队在煤炭领域权威期刊《煤炭学报》发表题为《尘-毒一体高效防护生物基纤维膜制备及功能实现机制研究》的研究论文。该研究针对矿井高浓度超细颗粒物与多种有害气体并存、传统防护材料功能单一且协同能力不足等突出问题，系统提出并构建了基于聚乳酸纤维与金属有机框架原位组装的尘-毒一体高效防护技术体系。该研究在我院何新建教授、徐欢副教授指导下完成，论文第一作者为我校安全22级博士生王存民。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目的资助。
煤矿井下作业环境长期面临高浓度超细粉尘与多种有毒有害气体并存的严峻挑战。传统防护材料功能单一，难以同时高效拦截亚微米级颗粒物并吸附有害气体，且存在透气性差、稳定性不足等问题。针对这一瓶颈，研究团队通过外部高压电场调控聚乳酸（PLA）分子链构象，并采用表面诱导工程策略，在PLA纤维表面原位组装了氨基功能化的金属有机框架晶体（Amine-ZIF8），最终经极化处理后制备出具有多尺度协同结构的AZ-PLA纤维膜。
图1 AZ-PLA 纤维膜的制备流程
通过扫描电镜对纤维膜微观形貌进行了系统观察。结果显示，未修饰的Pure PLA纤维表面光滑、排列均匀；随着组装时间延长至1小时，纤维表面开始出现少量球形Amine-ZIF8晶体颗粒；当组装时间达到2小时时，晶体数量显著增多，形成高密度沉积甚至连续涂层状结构。该微观形貌的演变过程直观验证了Amine-ZIF8在PLA纤维表面的逐步成功组装，且纤维骨架始终保持完好，为后续实现高效滤尘与有害气体吸附的协同防护奠定了坚实的结构基础。
图2 PLA 支撑纤维表面原位组装不同时间Amine-ZIF8 的扫描电镜 (SEM) 观察图像
系统评估了Amine-ZIF8的孔隙结构与吸附特性。氮气吸附-脱附实验表明，该材料在低压区吸附量迅速增加，具有大量微孔结构，BET比表面积高达594.65 m2/g。孔径分析显示，其总孔体积为0.31 cm3/g，呈现1.73 nm、1.90 nm和2.07 nm三峰微孔分布，多级孔径结构有利于SO2、CO2等有害气体分子的扩散与捕获；D-A模型计算的最可几孔径为1.62 nm，优于SO2和CO2的动力学直径，为气体分子进入孔道并实现有效吸附提供了空间保障。分子动力学模拟进一步证实，氨基引入后Amine-ZIF8仍保持完整的ZIF拓扑骨架，仅局部存在轻微畸变，上述结构特征为构筑尘-毒一体高效防护复合材料奠定了有利的微观基础。
图3 Amine-ZIF8 的比表面积和孔径分析
系统评估了AZ-PLA纤维膜对有害气体的吸附分离性能。气体等温吸附测试表明，在1.0 bar、273.15 K条件下，AZ-PLA纤维膜对CO2和SO2的最大吸附量分别达到38.18 cm3/g和165.85 cm3/g，而对N2的吸附量仅为2.30 cm3/g，展现出优异的选择性吸附能力。相比之下，未修饰的Pure PLA纤维膜对CO2和SO2的吸附量分别仅为8.32 cm3/g和9.71 cm3/g，证实了Amine-ZIF8的引入是气体吸附性能提升的关键。吸附热计算进一步揭示，CO2的等量吸附热（Qst）稳定在24.7~25.1 kJ/mol，以物理吸附为主导；而SO2的Qst在13.3~40.1 kJ/mol范围内变化，吸附初期呈现强相互作用（如与–NH2基团的强范德华力或弱化学结合），随吸附位点逐渐占据，吸附强度下降，体现出物理吸附与化学协同作用的多阶段吸附特征。
图4 AZ-PLA 纤维膜在不同空气流量和相对湿度以及连续过滤条件下的过滤性能
结论
本研究基于外部电场调控分子链构象与表面诱导原位组装的协同策略，成功构筑了一类兼具高效超细颗粒物过滤与有害气体选择性吸附功能的尘-毒一体防护纤维膜（AZ-PLA纤维膜）。该材料通过高压电场诱导聚乳酸分子链取向排列、Amine-ZIF8晶体在纤维表面均匀负载及静电极化处理，实现了从分子链到纤维网络的多尺度结构优化，显著提升了膜层的表面静电势、介电性能及孔道活性。同时在连续运行、重复使用及高湿环境下仍能保持稳定的过滤性能，展现出长期可靠的防护能力。该研究为煤矿等高粉尘多毒气复杂环境下的个体呼吸防护与可持续空气净化提供了可靠的材料解决方案，具有广阔的应用前景。
论文链接： https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2025.0960
