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[摘要]靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維，因具有纖維細(xì)、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(lǐng)域倍受關(guān)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(lǐng)域的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]靜電紡絲；食品；過濾；應(yīng)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(dāng)今的納米技術(shù)世界中，納米纖維結(jié)構(gòu)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(yīng)用中具有吸引力。在產(chǎn)生納米纖維的所有技術(shù)中，靜電紡絲是一種新興且有效的技術(shù)[1]。靜電紡絲技術(shù)制備出的納米纖維具有均勻的孔徑。除此之外，具有設(shè)備簡單、成本低、工藝易于控制等優(yōu)勢。目前應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及過濾、光電、傳感器、催化和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)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(xué)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(shè)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(dǎo)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(dāng)射流被拉伸成更細(xì)的直徑時，它會迅速凝固，導(dǎo)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(lǐng)域中的應(yīng)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(shù)因其處理水量大、能耗低等優(yōu)點引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的濃厚興趣。膜技術(shù)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(yīng)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?；谶@些特性使它在環(huán)境保護、生物技術(shù)、醫(yī)藥等多領(lǐng)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(lǐng)域中的應(yīng)用。

2.1飲用水過濾。Li等[11]通過無針熔融靜電紡絲技術(shù)制備了有取向性的聚丙烯纖維膜，實驗結(jié)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(jié)合溶液電紡和熔融電紡技術(shù)制備了聚乙烯醇/聚丙烯復(fù)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(shè)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(biāo)提高至205%和314%。經(jīng)修改后的Halpin-Tsai模型預(yù)測，處理后復(fù)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(yīng)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(xì)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(fù)雜，不易操作，且得率低。而靜電紡纖維膜材料應(yīng)用于果汁過濾可使果汁保存原有風(fēng)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(jié)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(shù)進行了對比。結(jié)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(shù)在水處理中的應(yīng)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(dāng)前技術(shù)的結(jié)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(jié)果。然而大規(guī)模商業(yè)化仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，例如與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的兼容性，環(huán)境和健康風(fēng)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(gòu)，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(yīng)用及其性能仍需測試。

作者:任聰 單位:河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院