气流辅助无针静电纺丝制备高效空气过滤用方便面状卷曲纳米纤维膜

DOI: 10.1002/smll.202107250

颗粒物（PM）污染已成为当下一个严重的环境问题。据广泛报道，纳米纤维过滤器可有效去除污染空气中的PM。在此，研究者提出了一种高效轻质的PM空气过滤器，该过滤器采用由气流场和二次感应电场等辅助场组成的气流协同无针静电纺丝技术制备而成。与使用其他喷丝头的无针静电纺丝相比，其显著提高了纤维空气过滤器的生产率、纤维直径和孔隙率。方便面状的纳米纤维结构也可以通过调节气流速度来进行控制。实验表明，该类空气过滤器具有较高的（2.5μm颗粒物）PM2.5去除效率（99.9%）和（0.3μm颗粒物）PM0.3去除效率（99.1%）、低压降（PM2.5为56Pa，PM0.3为78Pa），以及较大的容尘量（PM2.5最大值为168g/m2，PM0.3最大值为102g/m2）。同时，对所提出的PM过滤器进行测试，其适用于香烟烟雾和锯末等其他污染空气过滤。综上，对这种极具吸引力的纳米纤维结构的大规模合成展现了高性能过滤/分离材料的巨大潜力。

图1.气流协同无针静电纺丝（ASNE）技术和纳米纤维产物示意图。a）ASNE的3D示意图。b）通过横截面视图展示ASNE的内部结构。c）纺丝溶液的力分析及纺丝过程中聚合物射流的演变。d）沉积在PP无纺布上的PVA纳米纤维的数字图像。插图为侧视图数码照片。e）由ASNE制造的PVA纳米纤维的SEM图像。f）PVA和PP样品横截面的SEM图像。插图为横截面的放大图像，展示出混乱的结构。

图2.灵感产生过程和工程化纳米纤维。a）方便面以及方便面和面粉的SEM照片。b）在不同气流速度下针式静电纺丝和ASNE工艺中聚合物射流的视频说明。c）与（b）相关的不同气流速度下的欧姆流动长度。d）在不同气流速度下制造的纳米纤维的曲率。插图为计算说明。e）在不同气流速度下，通过针式静电纺丝和ASNE制备的PVA纳米纤维的SEM图像和相应的纤维直径分布图。

图3.空气过滤性能。采用针式静电纺丝和ASNE工艺制备的PVA纳米纤维膜的a）空气过滤效率、b）压降、c）品质因数和d）容尘量，使用0.3µm颗粒物进行测试。采用针式静电纺丝和ASNE工艺制备的PVA纳米纤维膜的e）空气过滤效率、f）压降、g）品质因数和h）容尘量，使用2.5µm颗粒物进行测试。

图4.a）在同一环形框架上具有不同基重的空气过滤器的数字图像。b）在PM2.5过滤介质下，过滤效率和压力随着基重的变化而变化。c）在PM2.5过滤介质下，品质因数随着基重的变化而变化。d）在PM2.5过滤介质下，将这种纳米纤维过滤器与其他过滤器进行比较。e）在PM0.3过滤介质下，过滤效率和压力随着基重的变化而变化。f）在PM0.3过滤介质下，品质因数随着基重的变化而变化。g）在PM0.3过滤介质下，将这种纳米纤维过滤器与其他过滤器进行比较。h）压降和过滤机制演变随着测试时间的变化而变化。i-k）不同状态下沉积在纳米纤维上的气溶胶颗粒的SEM图像。比例尺代表1µm。

图5.a）PVA纳米纤维交联前后的SEM图像。比例尺代表10µm。b）PVA纳米纤维膜交联前后的FTIR光谱。c）不同交联时间的PVA纳米纤维的水接触角。d）不同交联时间的PVA纳米纤维的空气过滤效率和阻力。

图6.a）不同纤维直径（300、200和100nm）的单纤维区域的速度分布模拟。b）具有不同连接结构的纤维区域的速度分布模拟：合并纤维、交叉纤维和卷曲纤维。

图7.a）室外过滤测试仪示意图。b）过滤后PVA纳米纤维膜的数字图像，以及过滤后PVA纳米纤维膜正面和背面的SEM图像。c,d）使用不同颗粒介质进行PVA纳米纤维膜过滤试验。e）2020年12月1日至2020年12月31日在中国成都进行的室外过滤测试。插图为延长周期测试的自动测试设置。f）PVA纳米纤维覆盖一般PP口罩的图片。g）不同流速下普通口罩和覆盖有PVA纳米纤维的普通口罩的过滤效率和阻力比较。

MMA？是溶剂吗？一般PMMA的溶剂是四氢呋喃丙酮氯仿，静电纺丝，据我了解，现在静电纺丝的优点是粗细均匀，弹性好，但是市面上采用静电纺丝的还是国内永康乐业的设备，国内其他公司就不知道了

带状的原因和溶液的挥发度有关系的

凝胶静电纺丝聚乙烯纤维具有碳纤维和陶瓷纤维同样的强度，但韧性更高、密度更低！

据最新一期《科学·材料》杂志报道，美国麻省理工学院开发出一种被称为凝胶静电纺丝的超细纤维生产新工艺，由此制得的纳米尺度的纤维具有超常的强度和韧性，或可成为防护装甲和纳米复合材料的新选择。

麻省理工学院化学工程系教授格里高利·拉特利奇表示，材料科学讲究平衡。通常情况下，研究人员在提高材料的某一特性时会看到其他特性的相应下降。强度和韧性就是这样的一对矛盾体。强度越高的材料，韧性越低，其吸收能量的机制遭到破坏而更易破裂。而凝胶静电纺丝技术则破解了这种平衡机制。

新技术对传统的凝胶纺丝技术进行了改进，加入了电力。由此制成的聚乙烯超细纤维可媲美或超过某些最强纤维（可用于制作防弹衣的Kevlar和Dyneema）的特性。与广泛用于复合材料的碳纤维和陶瓷纤维相比，新制成的凝胶静电纺丝聚乙烯纤维具有类似的强度，但韧性更高、密度更低。

与传统凝胶纺丝工艺不同的是，新技术使用单级过程取代多级过程，从而得到了具有更高拉伸度的纤维，其直径仅为几百纳米而不是传统的15微米。使用电力取代机械牵拉使制成的纤维更细，从而产生独特的特性。拉特利奇称，由新工艺制成的纤维未来可用以制造更为轻巧和牢固的防护材料。

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