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[摘要]靜電紡絲技術制備的納米纖維，因具有纖維細、比表面積大、機械強度好、孔隙率高、低密度和易功能化等特點，而在過濾領域倍受關注。本文介紹了靜電紡絲納米纖維膜的制備原理和過程，以及其在食品過濾領域的應用。

[關鍵詞]靜電紡絲；食品；過濾；應用

隨著科技的不斷發(fā)展，人們的視線正在從宏觀轉(zhuǎn)入微觀。在當今的納米技術世界中，納米纖維結構具有特殊的功能，例如機械強度和較大的表面積，這使其在許多應用中具有吸引力。在產(chǎn)生納米纖維的所有技術中，靜電紡絲是一種新興且有效的技術[1]。靜電紡絲技術制備出的納米纖維具有均勻的孔徑。除此之外，具有設備簡單、成本低、工藝易于控制等優(yōu)勢。目前應用范圍非常廣泛，涉及過濾、光電、傳感器、催化和醫(yī)學等領域[2]。

1靜電紡絲的原理和過程

靜電紡絲涉及一種電動流體動力學過程，在此過程中，液滴被帶電產(chǎn)生射流，然后進行拉伸和伸長以產(chǎn)生纖維。如圖1所示，靜電紡絲的基本設置非常簡單，幾乎每個實驗室都可以使用[3]。主要組件包括高壓電源，注射泵，噴絲板和導電收集器。電源可以是直流或交流。在靜電紡絲過程中，由于表面張力，液體會從噴絲板中擠出而產(chǎn)生懸垂液滴。在帶電時，相同表面電荷之間的靜電排斥將液滴變形為泰勒錐，從中噴射出帶電的射流。射流最初沿直線延伸，然后由于彎曲不穩(wěn)定性而經(jīng)歷劇烈的鞭打運動。當射流被拉伸成更細的直徑時，它會迅速凝固，導致固體纖維在接地的收集器上沉積。通常，靜電紡絲過程可分為四個連續(xù)步驟：(1)液滴并形成泰勒錐或錐形射流；(2)帶電射流沿直線延伸；(3)在電場的作用下使射流變薄，并且電彎曲不穩(wěn)定性增加；(4)將射流固化并在收集器上收集固體纖維[4-6]。

2靜電紡絲在食品過濾領域中的應用

多年來人們一直致力于液體過濾材料的研究與開發(fā)。膜技術因其處理水量大、能耗低等優(yōu)點引起了學術界和工業(yè)界的濃厚興趣。膜技術可以根據(jù)分離原理和膜特性分類，例如微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、正向滲透(FO)、壓差滲透(PRO)、氣體分離(GS)、全蒸發(fā)、膜蒸餾(MD)、膜生物反應器(MBR)等[7]。與其他過濾膜相比，靜電紡纖維膜展現(xiàn)出獨特的特性，如高比表面積，高孔隙率以及納米纖維的高取向性或排列性。基于這些特性使它在環(huán)境保護、生物技術、醫(yī)藥等多領域具有廣闊的前景[8-10]。下面主要簡介靜電紡絲在食品過濾領域中的應用。

2.1飲用水過濾。Li等[11]通過無針熔融靜電紡絲技術制備了有取向性的聚丙烯纖維膜，實驗結果表明：有取向性的聚丙烯纖維膜的平均孔徑要比雜亂無序的膜小很多，分別是18.96μm和27.29μm。取向性的聚丙烯纖維膜對水中0.5μm的粒子有很高的過濾效率，且過濾后膜通量幾乎與過濾前一樣，沒有明顯變化。Selvam等[12]用聚丙烯腈和銀離子通過電紡制備膜材料，考察了基底面密度、電紡時間、銀離子濃度等因素的影響，最終制備的膜材料對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌有很高的過濾效率，可達到99%。Li等[13]結合溶液電紡和熔融電紡技術制備了聚乙烯醇/聚丙烯復合膜，其對500nm粒子的攔截率可達到96%，且在24000Pa的壓力下仍能保持32346L/m2h的高通量，可用于設計同時具有通量和高攔截率的新穎微濾膜。典型的電紡聚合物膜表現(xiàn)出較差的機械性能，這是壓力驅(qū)動的水過濾所不希望的。Namsaeng等[14]合成了聚丙烯腈-聚氯乙烯(PAN-PVC)電紡膜，并用纖維碳納米管(MWCNT)加固。PAN-PVC膜的拉伸強度和楊氏模量分別提高了127%和175%，而1wt%的MWCNT進一步將上述指標提高至205%和314%。經(jīng)修改后的Halpin-Tsai模型預測，處理后復合材料的模量達到了四倍以上。在整個10個測試過濾周期中，其高顆粒(25nm~5μm)的高過濾效率(近100%)和良好的防污性能(通量回收率＞93%)。

2.2果汁澄清。靜電紡絲纖維膜在食品工業(yè)中的一個主要應用是對果汁進行過濾澄清，果汁飲料中含有許多懸浮固體物和能引起果汁變質(zhì)的細菌、果膠、以及粗蛋白，為增加果汁口感，延長儲存時間，有必要對果汁進行澄清。傳統(tǒng)澄清方法如明膠單寧法、冷凍法、酶處理法、加熱凝聚澄清法等，過程復雜，不易操作，且得率低。而靜電紡纖維膜材料應用于果汁過濾可使果汁保存原有風味，不會發(fā)生相變，同時快速、經(jīng)濟。Fuenmayor等[15]用尼龍-6材料制備了電紡纖維膜來過濾澄清蘋果汁，制備出的纖維膜與商業(yè)用的聚酰胺膜相比，顯示了良好的機械強度、低密度、高孔隙率，研究人員分別在不同壓力、不同膜厚度時，考察過濾的物化特性，如色度、濁度、酸度、抗氧化能力、酚類、有機酸、糖等，結果表明尼龍-6纖維膜相比于商業(yè)聚酰胺膜，有更顯著的去除濁度、色度、苦味酚類物質(zhì)的能力，同時還能保持果汁的抗氧化能力，此外，該膜能選擇性吸附不溶解的聚合酚物質(zhì)，如單寧，吸附率隨著壓力升高而增高。Veleirinho等[16]用乙烯對苯二酸酯制備了機械強度好，處理簡單的電紡纖維膜，將該膜對于蘋果汁澄清，并與傳統(tǒng)的澄清技術進行了對比。結果顯示：通過電紡纖維膜澄清的果汁與通過超濾或傳統(tǒng)澄清方法制備的果汁相比，過濾過程只需6分鐘，且不需要添加任何澄清劑，顯示出更好的理化性質(zhì)：膜通量更高、速度更快、簡單、經(jīng)濟。電紡纖維膜為食品工業(yè)的果汁澄清引入了新的方法。

3展望

納米技術在水處理中的應用正在全世界范圍內(nèi)獲得巨大發(fā)展。納米材料的奇異特性及其與當前技術的結合為水處理的革新帶來了巨大的未來。靜電紡絲納米纖維過濾材料有較高的比表面積、孔隙率和通透性，容易吸附微小粒子，可用作各種高性能過濾材料。目前在實驗室測試階段已顯示出令人鼓舞的過濾結果。然而大規(guī)模商業(yè)化仍面臨一些技術挑戰(zhàn)，例如與現(xiàn)有基礎設施的兼容性，環(huán)境和健康風險，聚合物隨時間和成本的潛在降解。這些挑戰(zhàn)似乎是暫時的，通過研究機構，政府和行業(yè)的協(xié)調(diào)，這些挑戰(zhàn)將隨著時間而克服。混合表面改性大分子會極大地改變靜電紡絲納米纖維的表面性質(zhì)?？梢赃M一步研究以制造具有極強疏水性或親水性的膜。中空靜電紡絲納米纖維在過濾中的應用及其性能仍需測試。

作者:任聰 單位:河南牧業(yè)經(jīng)濟學院