目錄

1.高效低阻空氣過濾材料研究背景

2.靜電紡絲制備高效低阻空氣過濾材料的優點

3.靜電紡絲空氣過濾材料高效低阻過濾機理

4.功能化靜電紡絲空氣過濾材料的設計

5.結論

1.高效低阻空氣過濾材料研究背景

近年來，全球工業飛速發展導致全球環境日益惡化、空氣污染越來越嚴重。更糟糕的是，新型冠狀病毒疾病的爆發和持續變異，嚴重威脅著公共健康。因此，空氣過濾材料成為了個人防護的關鍵。

在這種環境下，具有高過濾效率和低阻的靜電紡絲納米纖維膜得到了廣泛研究，因為它可以同時滿足用戶對于過濾性和舒適度的要求。但是對于個人防護而言，空氣過濾材料的評估更應考慮防護的全面性和實際應用中更高的舒適度。因此，在高過濾效率和低阻力的基礎上，應賦予個人防護高性能空氣過濾材料更多功能。

2.靜電紡絲制備高效低阻空氣過濾材料的優點

靜電紡絲是一種通用且成本低廉的制備納米纖維膜方法，具有表面積大、小孔徑、可控纖維直徑（特別是可以實現100nm以下納米纖維的穩定制備）和較高的產率。 此外，可用于靜電紡絲的材料種類繁多，包括各種聚合物、小分子、陶瓷等，這使得快速制備具有各種結構和功能的納米纖維成為可能。因此，越來越多研究表明電紡納米纖維膜被制造出來可以實現高性能空氣過濾并用于個人防護。

3.靜電紡絲空氣過濾材料高效低阻過濾機理

在經典單纖維過濾模型的基礎上，以膜過濾過程的角度結合空氣流場分析將更好地明晰電紡纖維膜的高效低阻空氣過濾過程。具體地，高效低阻空氣過濾的實現可歸功于三大機制：增強的靜電效應、優異的滑移效應、粗糙的纖維表面。三種機制將共同促進空氣過濾性能的提升。

4.功能化靜電紡絲空氣過濾材料的設計

如今，隨著人們越來越重視個人防護，空氣過濾材料的使用頻率也越來越高，單一的過濾性能已經不能滿足需求。人們開始更加關注如何最大限度地發揮個人防護的效益和使用感受。

增強的靜電吸附能力、滑移效應以及改善纖維的粗糙度是實現高效低阻空氣過濾的三個主要機制。

4.1高容塵量

容塵量是指當壓降達到初始值的兩倍時所能捕獲的顆粒質量。在使用過程中，顆粒會不斷沉積在空氣過濾材料的表面或內部，從而影響空氣流通。因此，高容塵能力可以確保長時間舒適的個人防護，無需擔心要在危險環境中更換過濾材料。一般來說，依靠表面過濾的過濾材料容塵量較小，而依靠深層過濾的容塵量較大，因為前者容易造成堵塞，壓降急劇上升；后者依靠曲折的三維通道，不容易堵塞。因此，空氣過濾材料的深層過濾是提高容塵能力的關鍵。梯度結構是實現深度過濾的有效方法。

圖1 (a)多級 PSUPANPA-6 膜的結構示意圖，實現一加一大于二的效果：更高效的過濾效率和更小的壓降。(b)TPUPSPA-6復合膜結構示意圖，對于0.3 μm NaCl 顆粒的過濾效率為99.99 %。

4.2水蒸氣轉移

空氣過濾材料在使用過程中，呼出的水蒸氣可能會引起不舒服的感覺。對于疏水性材料而言，水蒸氣透過率低會導致潮濕感，而對于親水性材料而言，水分會被吸收形成液膜，使空氣阻力迅速上升。水蒸氣傳輸系統的目的是實現水滴和水蒸氣的高效定向轉移，從而避免呼出的水蒸氣引起空氣阻力上升和濕粘感。

構建疏水/親水梯度結構是實現水滴或水蒸氣定向傳輸的有效方法。現在越來越多的學者制備出了具有更好過濾性能的水蒸氣或水滴過濾性的空氣過濾材料。

圖2 (a)梯度復合纖維膜的制造過程示意圖。(b)轉移水分子的機制。

4.3抗菌活性

空氣中的微粒通常含有大量細菌，這對人類的健康構成潛在風險。因此，空氣過濾材料的抗菌性能成為了研究熱點，它可以防止人們受到細菌的傷害。

目前，大多數抗菌材料主要是基于細菌負電荷細胞膜和細胞壁上陽離子的吸附和溶解，此外，從一些天然草藥中提取的聚合物也被證明可以通過靶向特定細菌群，從而實現抗菌功能。相比之下，金屬及其氧化物納米粒子由于更容易電離，因此具有更好的抗菌性能。

圖3  (a)含有銀納米粒子的樹狀雙峰PVDF納米纖維對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的過濾性能高。(b)制備了由PVA、CS和N-鹵胺（PVA/CS/ N-鹵胺）組成的多層雙峰納米纖維膜，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有明顯的抑制作用

4.4氣體污染物的吸收

氣體污染物是在正常條件下以分子狀態存在的污染物，它們大多具有難聞的氣味、毒性、刺激性、致畸性和致癌性，會對人體健康造成極大危害。讓空氣過濾材料擁有氣態污染物吸附能力可以防止人體健康受到危害。

將可與氣體污染物分子相互作用的成分引入靜電紡絲纖維中將大大提高所制過濾材料的氣體污染物吸附能力。吸附劑的高比表面積和盡可能接觸氣體是提高氣體污染物吸附能力的關鍵。

圖4 (a) PS/ZIF-67 多孔納米纖維的結構。(b)PS/ZIF-67 纖維的過濾和 SO 2吸附過程。

5.結論

隨著空氣污染的日益嚴重和氣溶膠傳播病毒的持續威脅，對于個人防護用的空氣過濾材料需求越來越迫切。電紡空氣過濾材料具有直徑小、通孔高度互聯、結構可調等優勢，可輕松實現高效低阻空氣過濾。然而，盲目追求過濾性能的提高是不合適的，賦予空氣過濾材料更多的功能才能實現個人防護的最大化收益，這也可以通過靜電紡絲更容易、更簡單地實現。

盡管用于個人防護的多功能靜電紡絲空氣過濾材料取得了很大進展，但仍存在許多挑戰：（一）現有靜電紡絲過濾材料的機械性能往往不足。（二）使用可降解材料和綠色溶劑制備電紡過濾材料可減輕環境負擔，但這些材料往往沒有足夠的電紡性能，制備的過濾材料的過濾性能難以保證。（三） 在現有研究的基礎上還需要對更多性能進行探索和深入研究，進一步提高防護效果。（四）實現多功能通常需要更多的制備工藝，因此，需要找到一種最簡單的制備方式（即一步制備），推進其批量制備和工業化生產進程。（五） 有效預測高性能空氣過濾材料的使用壽命（包括過濾材料性能和其他功能的使用壽命），以避免保護性能衰減所造成的危險或其他功能衰減所引起的不適。

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

鄭高峰教授個人介紹

廈門大學，航空航天學院儀器與電氣系，副教授、副主任、博導，工學博士。發表 SCI、EI收錄學術論文130余篇，作為第一發明人申請發明專利50余項，已授權發明專利30余項，實用新型專利30型，出版專著1本，參與撰寫著作專章3篇。主持有國家自然科學基金、福建省產學研究重點項目、福建省自然科學基金、廣東省自然科學基金、教育部博士點基金和廈門市科技計劃項目等縱向課題，承擔有20余項企業委托技術開發課題；并作為研究骨干參與了多項國家、省部級重點項目的研究工作。主要從事微納噴印、靜電紡絲、工業自動化、先進控制技術、微系統集成應用等領域的研究。