煤炭是全球重要能源，但其开采过程中产生的大量煤尘严重威胁矿工健康，研究煤尘防治技术至关重要。当前常用的通风降尘、喷雾除尘等手段无法彻底消除煤尘危害，个人防护装备不可或缺。

静电纺丝技术在空气过滤领域表现优异，能将多种高分子聚合物制成纳米纤维用于空气过滤。近年来，具有双重性质的 Janus 纳米纤维膜成为研究热点，顺序静电纺丝是制备该膜的有效方法之一。已有研究制备出不同性能的 Janus 纳米纤维膜，但部分存在测试速度不适用于地下防护、压降过高导致呼吸困难等问题。

本研究采用亲水性的聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和疏水性的聚己内酯（PCL）制备 Janus 纳米纤维膜。该膜的 PAN 侧为多孔结构，有望在保障高过滤效率的同时降低压降，提升矿山个人防护的舒适性，为采矿个人防护材料的开发提供新思路。

一：核心研究

（1）Janus 纳米纤维膜的制备

实验使用的材料包括聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚己内酯（PCL）和 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）等。PAN 和 PVP 用于制备亲水纤维膜，PCL 用于制备疏水纤维膜，DMF 作为溶剂 。将 PAN 和 PVP 颗粒溶解在 DMF 中，在 60°C 下搅拌 3 小时，制成 10 wt% 的 PAN 溶液；将 PCL 颗粒溶解在 DMF 中，同样在 60°C 下搅拌 3 小时，制备出浓度分别为 8 wt%、10 wt% 和 12 wt% 的 PCL 前驱体溶液。

先将 PAN 前驱体溶液装入注射器，以锡纸为接收基底进行静电纺丝。设定溶液流速为 1.2 mL/h、静电纺丝电压为 18 kV、注射器到基底的距离为 10 cm ，纺丝 40 分钟后得到 PAN 纳米纤维膜。将该膜浸入 25°C 的水中 15 分钟，然后在室温下风干，使其形成多孔结构。接着，将 PCL 前驱体溶液静电纺丝到处理后的 PAN 纤维膜上，不同的 PCL 浓度对应不同的静电纺丝参数（如电压、时间等） 。制备完成后，所有样品在 25°C 下真空干燥 2 小时 。

图1通过顺序静电纺丝制备Janus纳米纤维

（2）Janus 纳米纤维膜的过滤机制

呼吸过程中的过滤：在呼气时，呼出的水蒸气部分被膜的亲水侧吸收，其余部分穿过亲水侧，最终通过膜排放到空气中；在吸气时，外部的疏水纳米纤维膜阻止空气中的水蒸气进入口罩内部 。

对煤尘颗粒的拦截：空气中的煤尘颗粒被 Janus 纳米纤维膜拦截。不同粒径的颗粒主要通过不同的物理机制被纤维捕获，小于 0.3μm 的颗粒主要通过静电吸引吸附，小于 10.0μm 的颗粒通过拦截和惯性捕获，大于 10.0μm 的颗粒主要通过重力和其他力捕获 。

图 2. (a) 约纳斯纳米纤维膜的呼吸过滤机制图，(b) 纤维捕获煤尘颗粒的机制，(c) 不同粒径颗粒的过滤机制。

（3）Janus 纳米纤维膜的形貌和元素分析

通过 SEM 观察纳米纤维膜形貌，用 ImageJ 软件测纤维直径，结果显示 PCL 纳米纤维直径随前驱体溶液浓度升高而增大，与静电纺丝电压呈负相关，PAN 纳米纤维有均匀直径分布和多孔结构，利于过滤与维持合理压降。EDS 分析表明膜两侧元素含量有差异，FTIR 分析显示 Janus 纳米纤维膜兼具 PAN 的亲水性和 PCL 的疏水性。

图 3. (a-f) PCL 纤维的扫描电子显微镜图像，(g, h) PAN 纤维的扫描电子显微镜图像，(i, j) 在 16 kV 和 18 kV 静电纺丝电压下 PCL 纤维的直径分布，(k) PAN 纤维的直径分布。

图 4. (a-b) PCL 和 PAN 纳米纤维膜的 EDS 分析，(c) PAN、PCL 和 Janus 纳米纤维膜的 FTIR 光谱。

（4）Janus 纳米纤维膜的过滤性能和机械性能分析

使用 LZC-K1 过滤器材料综合测试仪，在不同气流速率下测试 Janus 纳米纤维膜过滤性能，计算过滤效率和质量因子（QF）。结果表明，在 32L/min 呼吸速率下，膜过滤效率高且压降较低；随着呼吸速率增加，过滤效率略有下降，压降显著上升，40min 电纺时间的膜更易获得高 QF。SEM 图像显示大颗粒被膜拦截捕获，膜表面电荷增强对小颗粒的吸附。膜的机械性能测试表明，#5 样品的拉伸强度和柔韧性较平衡，适合实际应用。

图 5. (a-c) 在风速为 32、65 和 85 L/min 下 Janus 纳米纤维膜的过滤效率，(d) Janus 纳米纤维膜的压降，(e) Janus 纳米纤维膜的 QF，(f-i) 纳米纤维膜过滤后的 SEM 图像，(j) Janus 纳米纤维膜的表面电位，(k) PAN 和 PCL 分子的表面静电势。

（5）Janus 纳米纤维膜的舒适性能分析

利用光学接触角测量仪评估 Janus 纳米纤维膜表面润湿性，PCL 纳米纤维膜疏水，PAN 纳米纤维膜亲水。模拟人体呼吸水蒸气透过实验和 WPT - 301 水蒸气透过率测试仪测试，表明膜透湿性良好，且 PCL 浓度增加，透湿性下降但整体仍较高。膜的表面粗糙度分析显示，疏水侧光滑，亲水侧略粗糙，符合 Wenzel 理论。

图 7. (a-g) 具有疏水和亲水性质的 Janus 纳米纤维膜，(h) 亲水纳米纤维膜的水吸收机制，(i) 水蒸气（模拟人体呼吸）可以在 10 秒、30 秒和 60 秒内快速通过 Janus 纳米纤维膜，表明制备的 Janus 纳米纤维膜在实际应用中会提供舒适性，(j-k) 纳米纤维膜的表面粗糙度，(l) Janus 纳米纤维膜的水蒸气透过率。

二：结论

在本研究中，通过顺序静电纺丝和先进的后处理技术，开发了适用于高湿度和高强度劳动等恶劣地下条件的 Janus 纳米纤维膜。重点研究了这些膜的微观结构特性、机械强度、过滤效率和舒适性等方面。研究结果表明，Janus 纳米纤维膜的分子结构有利于分子链的运动，确保了稳定的机械性能和柔韧性。此外，Janus 纳米纤维膜的过滤效率可达 99.98%，在气流速率为 85L/min 时，相应的压降为 134.7Pa，品质因数（QF）为 0.065。这些结果表明它们能够在保持低空气阻力的同时有效过滤颗粒，这对于采矿环境中的呼吸防护至关重要。此外，Janus 纳米纤维膜表现出很强的疏水 - 亲水性，水汽透过率为 2633.863cm³/（m²・d・Pa）。这一特性使该膜能够阻挡环境空气中的水汽，同时有效地排出呼出的湿气。

总体而言，研究结果表明，新开发的 Janus 纳米纤维膜具有高过滤效率、低气流阻力和优异的水汽渗透性的平衡组合，使其非常适合用于采矿环境中的先进个人防护应用。这些研究结果为设计和开发满足矿山安全和个人防护要求的高性能过滤器提供了有价值的基础。

文章来源：https://www.wemaxnano.com/products/em/

查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128531