东华大学俞建勇院士、丁彬研究员团队《Adv. Funct. Mater.》：超弹纳米纤维气凝胶高温空气过滤材料领域取得新进展

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近日，东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队在高温空气过滤用超弹纳米纤维气凝胶材料方面取得了重要进展，相关研究成果以《Semi-IPN biomimetic structure enables superelastic and thermostable nanofibrous aerogels for cascade filtration of PM_2.5》（DOI：10.1002/adfm.201910426）为题，发表于材料领域著名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。该论文共同第一作者为纺织学院博士生李玉瑶和曹雷涛，共同通讯作者为丁彬研究员和斯阳研究员。

雾霾污染已成为危害人类健康的主要元凶，如何从源头上降低颗粒物排放浓度是当前打赢蓝天保卫战的工作重点。耐高温空气过滤材料因具有原料来源广、结构可调性强、易于规模化制备等特点，被广泛应用于钢铁、焦化、燃煤电厂等烟气处理系统中，以实现超低排放的目标。然而，现有高温过滤材料多为微米级纤维无规排列而成的二维膜材料，面临过滤精度低，过滤效率、空气阻力、容尘量难以同步优化等瓶颈问题。

图1 基于半互穿聚合物网络的纳米纤维气凝胶的制备过程、微观结构及耐高温性能

面对这一挑战，研究团队以具有半互穿聚合物网络（semi-IPN）结构的纳米纤维为构筑基元，利用纤维冷冻成型方法制备出了具有“级联过滤”行为的超弹、耐高温气凝胶空气过滤材料。通过调控由聚酰胺酰亚胺（PAI）和不同双马来酰亚胺（BMI）组成的semi-IPN结构的分子链柔曲性，实现了纳米单纤维力学性能和耐热性的同步提升，这一想法是得益于“刚性纤维素网络使得高孔隙率丝瓜络具有良好的力学性能”的仿生理念。进一步将semi-IPN基纳米纤维进行均质分散、逐级冷冻干燥和粘结交联，构筑了具有梯度孔道结构的气凝胶，该材料具有“级联过滤”行为：可实现对多分散颗粒物（如PM_2.5）的逐级选择性捕集。

图2 基于半互穿聚合物网络的梯度纳米纤维气凝胶材料的空气过滤性能

基于上述多尺度调控，所得semi-IPN基纳米纤维气凝胶具有高压缩应力（60%压缩应变时为7.9kPa），高压缩模量（12kPa）和高温（220℃）结构稳定性，可实现对高温烟气（通常<200℃）中超细颗粒物的高效低阻过滤，其对最易穿透粒径颗粒物（PM_0.3）的过滤效率高达99.97%，阻力压降较同等克重的膜材料降低了50%，容尘量达到114 g m⁻²，且经20次循环过滤（PM_2.5）后性能稳定，具有长效使用性能。

图3 氧化硅纳米纤维气凝胶的仿生结构及其弹性粘结网络

该项研究得到国家自然科学基金、中央高校-学科交叉重点计划项目、纤维改性国家重点实验室主任基金项目的大力资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.201910426

来源：东华大学

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