中石大姬忠礼教授/迪肯大学林童教授：通过调整纳米纤维堆积密度分布来提升空气过滤性能

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工业生产、燃料燃烧、汽车尾气排放等过程产生的大量颗粒物，会严重污染空气环境及影响人体健康。其中，直径小于2.5微米的细颗粒物（PM2.5）对人体健康危害最大。PM2.5颗粒易由人体呼吸道吸入肺部，甚至进入血液循环系统。同时，PM2.5颗粒也是细菌和病毒的良好载体，易导致疾病的传播。人们通常会用过滤的方法来清除这些有害颗粒，达到保护环境和人体健康的目的。虽然目前已经开发出了许多过滤材料，但低阻高效过滤材料的开发仍是空气过滤领域的一大难题。特别是由化纤制备的空气过滤材料，它们多采用静电来维持高的过滤效率，过滤效果会随静电损失而减弱。纳米纤维滤材由于具有纤维直径小和比表面积高等特点，拥有出色的过滤效果，受到了广泛关注。
最近，中国石油大学（北京）姬忠礼教授团队和澳大利亚迪肯大学（Deakin University）林童教授团队合作，通过静电纺丝的方法，制备了一种堆积密度周期性变化的图案化纳米纤维膜。相比于均匀纳米纤维膜，在相同纳米纤维面密度的条件下，单层图案化纳米纤维膜具有更低的过滤气阻。当双层图案化纳米纤维膜层间密集区和稀疏区交错排布时，过滤气阻降低、过滤效率却明显提高。在消除静电后，这种交错排布的双层图案化纳米纤维膜仍保持了高的过滤效率，其过滤性能符合欧洲标准（EN 779:2012）中对于空气过滤器最高等级（F9级）的要求。由于对静电效应的依赖性很小，该过滤材料可以在潮湿或某些化学环境中使用，并保持较好的工作稳定性和较长的使用寿命。此外，该研究还通过流体力学方法计算模拟了双层纳米纤维过滤介质内的气流运动轨迹，结果表明纳米纤维图案化交错排布增强了气流的曲折性，曲折的气流通道是其过滤效率提高的原因。
 
图1 （a）图案化纳米纤维膜制备过程图；（b）图案化纳米纤维膜外观；不同位置图案化纳米纤维膜的SEM图像：（c-d）冲孔区域、（e）冲孔边缘、（f-g）金属表面接触区域。
 
图2 （a）图案化纳米纤维膜的双层排列示意图；流速32 L·min^-1时不同排列双层纳米纤维膜的过滤性能：（b）压降，（c）过滤效率；不同流速下双层纳米纤维膜的品质因子（同时考虑压降、过滤效率，综合评价过滤性能的指标）：（d）总面密度0.54 g·m^-2，（e）总面密度1.08 g·m^-2。 图3 流速32 L·min^-1时消除静电前后双层图案化纳米纤维膜（总面密度0.54 g·m^-2）的过滤性能比较：（a）压降，（b）过滤效率，（c）品质因子。

相关成果以标题为“Improvement of Air Filtration Performance using Nanofibrous Membranes with a Periodic Variation in Packing Density”发表在Advanced Materials Interfaces上。中国石油大学（北京）博士生刘宇峰和迪肯大学邵浩博士为本文的共同第一作者，通讯作者为迪肯大学王红霞博士、林童教授和中国石油大学（北京）姬忠礼教授。该工作得到澳大利亚研究理事会（Australian Research Council）、国家自然科学基金、国家留学基金委等项目支持。

原文链接

https://doi.org/10.1002/admi.202101848

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