厦门大学郑高峰团队最新综述：用于个人防护的高性能、多功能电纺纤维空气过滤材料

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目录

1.高效低阻空气过滤材料研究背景

2.静电纺丝制备高效低阻空气过滤材料的优点

3.静电纺丝空气过滤材料高效低阻过滤机理

4.功能化静电纺丝空气过滤材料的设计

5.结论

 

1.高效低阻空气过滤材料研究背景

近年来，全球工业飞速发展导致全球环境日益恶化、空气污染越来越严重。更糟糕的是，新型冠状病毒疾病的爆发和持续变异，严重威胁着公共健康。因此，空气过滤材料成为了个人防护的关键。

 

在这种环境下，具有高过滤效率和低电阻的静电纺丝纳米纤维膜得到了广泛研究，因为它可以同时满足用户对于过滤性和舒适度的要求。但是对于个人防护而言，空气过滤材料的评估更应考虑防护的全面性和实际应用中更高的舒适度。因此，在高过滤效率和低阻力的基础上，应赋予个人防护高性能空气过滤材料更多功能。

 

2.静电纺丝制备高效低阻空气过滤材料的优点

静电纺丝是一种通用且成本低廉的制备纳米纤维膜方法，具有表面积大、小孔径、可控纤维直径（特别是可以实现100nm以下纳米纤维的稳定制备）和较高的产率。 此外，可用于静电纺丝的材料种类繁多，包括各种聚合物、小分子、陶瓷等，这使得快速制备具有各种结构和功能的纳米纤维成为可能。因此，越来越多研究表明电纺纳米纤维膜被制造出来可以实现高性能空气过滤并用于个人防护。

 

3.静电纺丝空气过滤材料高效低阻过滤机理

在经典单纤维过滤模型的基础上，以膜过滤过程的角度结合空气流场分析将更好地明晰电纺纤维膜的高效低阻空气过滤过程。具体地，高效低阻空气过滤的实现可归功于三大机制：增强的静电效应、优异的滑移效应、粗糙的纤维表面。三种机制将共同促进空气过滤性能的提升。

 

4.功能化静电纺丝空气过滤材料的设计

如今，随着人们越来越重视个人防护，空气过滤材料的使用频率也越来越高，单一的过滤性能已经不能满足需求。人们开始更加关注如何最大限度地发挥个人防护的效益和使用感受。

增强的静电吸附能力、滑移效应以及改善纤维的粗糙度是实现高效低阻空气过滤的三个主要机制。

 

4.1高容尘量

容尘量是指当压降达到初始值的两倍时所能捕获的颗粒质量。在使用过程中，颗粒会不断沉积在空气过滤材料的表面或内部，从而影响空气流通。因此，高容尘能力可以确保长时间舒适的个人防护，无需担心要在危险环境中更换过滤材料。一般来说，依靠表面过滤的过滤材料容尘量较小，而依靠深层过滤的容尘量较大，因为前者容易造成堵塞，压降急剧上升；后者依靠曲折的三维通道，不容易堵塞。因此，空气过滤材料的深层过滤是提高容尘能力的关键。梯度结构是实现深度过滤的有效方法。

图1 (a)多级 PSUPANPA-6 膜的结构示意图，实现一加一大于二的效果：更高效的过滤效率和更小的压降。(b)TPUPSPA-6复合膜结构示意图，对于0.3 μm NaCl 颗粒的过滤效率为99.99 %

 

4.2水蒸气转移

空气过滤材料在使用过程中，呼出的水蒸气可能会引起不舒服的感觉。对于疏水性材料而言，水蒸气透过率低会导致潮湿感，而对于亲水性材料而言，水分会被吸收形成液膜，使空气阻力迅速上升。水蒸气传输系统的目的是实现水滴和水蒸气的高效定向转移，从而避免呼出的水蒸气引起空气阻力上升和湿粘感。

 

构建疏水/亲水梯度结构是实现水滴或水蒸气定向传输的有效方法。现在越来越多的学者制备出了具有更好过滤性能的水蒸气或水滴过滤性的空气过滤材料。

图2 (a)梯度复合纤维膜的制造过程示意图。(b)转移水分子的机制

 

4.3抗菌活性

空气中的微粒通常含有大量细菌，这对人类的健康构成潜在风险。因此，空气过滤材料的抗菌性能成为了研究热点，它可以防止人们受到细菌的伤害。

目前，大多数抗菌材料主要是基于细菌负电荷细胞膜和细胞壁上阳离子的吸附和溶解，此外，从一些天然草药中提取的聚合物也被证明可以通过靶向特定细菌群，从而实现抗菌功能。相比之下，金属及其氧化物纳米粒子由于更容易电离，因此具有更好的抗菌性能。

图3  (a)含有银纳米粒子的树状双峰PVDF纳米纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的过滤性能高。(b)制备了由PVA、CS和N-卤胺（PVA/CS/ N-卤胺）组成的多层双峰纳米纤维膜，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有明显的抑制作用

 

4.4气体污染物的吸收

气体污染物是在正常条件下以分子状态存在的污染物，它们大多具有难闻的气味、毒性、刺激性、致畸性和致癌性，会对人体健康造成极大危害。让空气过滤材料拥有气态污染物吸附能力可以防止人体健康受到危害。

 

将可与气体污染物分子相互作用的成分引入静电纺丝纤维中将大大提高所制过滤材料的气体污染物吸附能力。吸附剂的高比表面积和尽可能接触气体是提高气体污染物吸附能力的关键。

图4 (a) PS/ZIF-67 多孔纳米纤维的结构。(b)PS/ZIF-67 纤维的过滤和 SO2吸附过程

 

5.结论

随着空气污染的日益严重和气溶胶传播病毒的持续威胁，对于个人防护用的空气过滤材料需求越来越迫切。电纺空气过滤材料具有直径小、通孔高度互联、结构可调等优势，可轻松实现高效低阻空气过滤。然而，盲目追求过滤性能的提高是不合适的，赋予空气过滤材料更多的功能才能实现个人防护的最大化收益，这也可以通过静电纺丝更容易、更简单地实现。

 

尽管用于个人防护的多功能静电纺丝空气过滤材料取得了很大进展，但仍存在许多挑战：（一）现有静电纺丝过滤材料的机械性能往往不足。（二）使用可降解材料和绿色溶剂制备电纺过滤材料可减轻环境负担，但这些材料往往没有足够的电纺性能，制备的过滤材料的过滤性能难以保证。（三） 在现有研究的基础上还需要对更多性能进行探索和深入研究，进一步提高防护效果。（四）实现多功能通常需要更多的制备工艺，因此，需要找到一种最简单的制备方式（即一步制备），推进其批量制备和工业化生产进程。（五） 有效预测高性能空气过滤材料的使用寿命（包括过滤材料性能和其他功能的使用寿命），以避免保护性能衰减所造成的危险或其他功能衰减所引起的不适。

 

引用：doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122175

 

郑高峰教授个人介绍

厦门大学，航空航天学院仪器与电气系，副教授、副主任、博导，工学博士。发表 SCI、EI收录学术论文130余篇，作为第一发明人申请发明专利50余项，已授权发明专利30余项，实用新型专利30型，出版专著1本，参与撰写著作专章3篇。主持有国家自然科学基金、福建省产学研究重点项目、福建省自然科学基金、广东省自然科学基金、教育部博士点基金和厦门市科技计划项目等纵向课题，承担有20余项企业委托技术开发课题；并作为研究骨干参与了多项国家、省部级重点项目的研究工作。主要从事微纳喷印、静电纺丝、工业自动化、先进控制技术、微系统集成应用等领域的研究。