Janus膜是一種具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)或組成的膜材料，其兩面表現(xiàn)出完全不同的潤濕性。這種獨(dú)特的性質(zhì)使得Janus膜在定向流體運(yùn)輸、傳感器、油水分離等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲技術(shù)成為制備Janus膜的重要方法。靜電紡絲技術(shù)能夠高效地制備納米纖維，通過控制纖維的尺寸、形狀和摻雜特性，可以實(shí)現(xiàn)膜材料的高滲透性和功能性。聚偏氟乙烯（PVDF）因其強(qiáng)疏水性，常被用作Janus膜的疏水層；而聚丙烯腈（PAN）因其強(qiáng)親水性，常被用作Janus膜的親水層。此外，為了賦予膜材料抗菌性能，研究中常添加N-鹵胺類抗菌劑。這類化合物通過釋放氧化鹵素正離子，能夠有效破壞細(xì)菌蛋白質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)廣譜抗菌效果。
江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院栗志廣團(tuán)隊(duì)在《Fibers and Polymers》期刊發(fā)表了題為“Composite Fiber Membrane with Janus Structure via Electrospinning Technique and its Separation and Antibacterial Properties”的最新研究成果。該團(tuán)隊(duì)通過靜電紡絲技術(shù)成功制備了具有Janus結(jié)構(gòu)的PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜。這一成果為Janus膜在分離和抗菌領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路和方法，為高性能分離膜的開發(fā)提供了重要參考。
團(tuán)隊(duì)首先將聚偏氟乙烯（PVDF）與N-鹵胺抗菌劑MC混合，使用DMF和丙酮作為混合溶劑，通過靜電紡絲制備了疏水層（PVDF@MC纖維膜）。接著，將聚丙烯腈（PAN）與N-鹵胺抗菌劑MC混合，使用DMF作為溶劑，通過靜電紡絲制備了親水層（PAN@MC纖維膜）。最后，通過連續(xù)靜電紡絲將兩層纖維膜結(jié)合，形成了具有Janus結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維膜。該膜的頂層為疏水且水下親油，底層為親水且水下疏油。（見圖1、2）
與PVDF纖維膜相比，頂層的水接觸角從130.0°增加到132.6°。當(dāng)油滴接觸浸入去離子水中的PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜頂層表面時(shí)，油滴迅速擴(kuò)散。與PAN纖維膜相比，PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜底層的水下油接觸角從124.6°增加到143.0°。（見圖3）
通過純水通量實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了不同纖維膜的水通量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PVDF纖維膜的純水通量為62 L?m?2?h?1，PAN纖維膜的純水通量為1110 L?m?2?h?1，而PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜的純水通量為91 L?m?2?h?1。這表明復(fù)合纖維膜的純水通量介于PVDF和PAN纖維膜之間。（見圖4）
通過泥漿、甲苯乳液、CuSO4溶液和MB溶液的分離實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了復(fù)合纖維膜的分離性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜對(duì)泥漿的分離效率為98.58%，對(duì)甲苯乳液的分離效率為30.58%，對(duì)CuSO4和MB溶液的分離效率分別為35.85%和60.78%（見圖5）。這些結(jié)果表明，復(fù)合纖維膜的分離效率高于PVDF和PAN纖維膜，而分離通量則介于兩者之間，反映了其雙層結(jié)構(gòu)對(duì)分離性能的綜合影響。
與PVDF纖維膜和PAN纖維膜相比，PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜的抗菌性能顯著提高。然而，由于N-鹵胺抗菌劑MC的含量較少，無法在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速殺菌。頂層和底層在接觸金黃色葡萄球菌和大腸桿菌30分鐘后才能完全殺死細(xì)菌（見圖6）。
圖6 纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌（S. aureus）（A）和大腸桿菌（E. coli）（B）的抗菌性能，以及纖維膜對(duì)金黃色葡萄球菌（C）和大腸桿菌（D）的細(xì)菌減少率（金黃色葡萄球菌的接種量為6.80 × 10^6 CFU/片；大腸桿菌的接種量為6.32 × 10^6 CFU/片）。S1. 金黃色葡萄球菌接觸PVDF纖維膜30分鐘；S2. 金黃色葡萄球菌接觸PAN纖維膜30分鐘；S3. 金黃色葡萄球菌接觸PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜頂層1、5、10和30分鐘；S4. 金黃色葡萄球菌接觸PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜底層1、5、10和30分鐘；E1. 大腸桿菌接觸PVDF纖維膜30分鐘；E2. 大腸桿菌接觸PAN纖維膜30分鐘；E3. 大腸桿菌接觸PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜頂層1、5、10和30分鐘；E4. 大腸桿菌接觸PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜底層1、5、10和30分鐘。a PVDF纖維膜；b PAN纖維膜；c PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜的頂層；d PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜的底層
該研究通過靜電紡絲技術(shù)成功制備了具有Janus結(jié)構(gòu)的PVDF@MC/PAN@MC復(fù)合纖維膜，為高性能分離膜的開發(fā)提供了新的思路。該膜不僅在分離性能上表現(xiàn)出色，對(duì)泥漿、油水乳液、金屬離子和有機(jī)染料均展現(xiàn)出高效的分離效率，并具備抗菌性能。這一成果推動(dòng)了Janus膜在分離和抗菌領(lǐng)域的應(yīng)用，還為開發(fā)多功能復(fù)合纖維膜提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
文章來源：https://doi.org/10.1007/s12221-025-00862-y（江南大學(xué)栗志廣團(tuán)隊(duì)《Fibers and Polymers》）
