一：研究背景

防火对于室内过滤器来说是一个重大挑战，尤其是在易燃易爆环境中。聚合物纤维过滤器通常由聚丙烯（PP）、聚丙烯腈（PAN）和聚乳酸（PLA）等材料制成，这些材料本质上是易燃的。这凸显了开发阻燃空气过滤器的迫切需求。

近年来，使用具有固有阻燃特性的聚合物成为一种新策略。聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）因其分子链中苯环和酰胺基团形成的刚性稳定结构，展现出卓越的热、化学和辐射耐受性，成为理想的阻燃纤维材料。然而，PMIA纳米纤维在生产效率和机械性能方面仍面临挑战。

本研究旨在利用高效的气辅共静电纺丝技术，通过将PMIA与热塑性聚氨酯（TPU）结合，开发出一种兼具优异机械性能和阻燃特性的高性能空气过滤器，以满足个人防护和室内环境过滤的需求。

二：主要研究内容

（1）制备PMIA/TPU纳米纤维

首先分别制备了PMIA溶液和TPU溶液，PMIA溶液是通过将PMIA短纤维溶解在含有1.8 wt%无水氯化锂（LiCl）的N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中，并在90-120℃下搅拌6小时得到的。而TPU溶液则是将TPU颗粒溶解在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和丙酮（体积比为1:1）的混合溶剂中，在室温下搅拌6小时制得。随后，将这两种溶液分别通过对应的注射器和泵送入气辅共静电纺丝系统的聚合物通道，同时利用空气压缩机将空气送入空气通道。在纺丝过程中，喷头会持续进行左右往复运动，最终在收集器上形成均匀的PMIA/TPU纳米纤维过滤器。整个实验过程在大约25℃的温度和60%的湿度条件下进行。

图1. 气辅共电纺装置示意图以及喷丝头横截面示意图

（2）射流运动及生产效率分析

利用 LSM 方法结合 COMSOL 软件，模拟纯电场（25 kV）及三个复合场（25 kV 电场分别与入口风速 10、20、30 m/s 的气流场结合）下的射流运动。结果显示，复合场中射流运动包含稳定阶段和拉伸阶段。射流在拉伸前有较长稳定阶段，因为空气辅助静电纺丝强大的牵伸力。随着纤维形成，射流远离喷嘴，体积分数降低，纤维直径减小。

对比不同电场和气流场下的射流速度和牵伸力，发现气流引入主导了喷丝头附近的牵伸力，更高的入口风速能产生更大牵伸力、更高射流速度和生产速率。对比传统静电纺丝和空气辅助静电纺丝，后者牵伸力更大、射流速度更快，聚合物流量更多，生产效率更高。如制备尺寸约 20 cm×20 cm×15 µm 的纤维毡，空气辅助静电纺丝仅需 20 分钟，而传统静电纺丝需要 2 小时。

图2.模拟结果

（3）PMIA/TPU 纳米纤维的形貌、结构及性能

图3PMIA/TPU纤维的形貌、结构、性能

形态与结构：通过空气辅助共电纺制备的 PMIA/TPU 纳米纤维毡，包含螺旋状和直的纤维，平均直径约 270nm，相比传统电纺，其纤维毡结构更蓬松，具有更多孔隙体积。空气辅助共电纺制备的纤维毡孔径更大，为2.1μm ，呈松散堆积状态。

性能特点：PMIA/TPU 纤维毡机械性能优越，应力可达 15.73MPa，应变 86%，能稳定提起 0.5kg 重物，且具有良好的柔韧性和可折叠性。作为空气过滤材料，该纤维毡孔隙率高、面密度低，为0.58mg/cm² ，在纺丝 20min 时，对 PM0.3、PM1 和 PM2.5 的过滤效率分别达 91.7%、96.5% 和 99.3%，压力降仅 54.6Pa，过滤性能优异。

（4）热降解及阻燃性能

图4.PMIA/TPU 纳米纤维与 PP 熔喷滤材的热降解及阻燃性能

热降解性能：利用热重分析研究 PMIA/TPU 纤维的热稳定性和耐高温性。在氮气氛围下，该纤维失重 5% 时的温度为 287.2℃，800℃时的残炭率为 33.3%，耐热指数为 172.2℃，均高于 PP 熔喷纤维。在 150℃热处理 30min 或更长时间后，纤维毡仍保持三维螺旋形态，过滤性能也能维持在较高水平，对 PM1 的过滤效率超 96% ，证明其在高温环境下能保持较好的过滤性能。

阻燃性能：PMIA/TPU 纳米纤维毡的极限氧指数为 25.1%，远高于 PP 熔喷过滤器的 18%。燃烧测试中，PP 熔喷无纺布遇明火 2s 内即完全燃烧并产生熔滴，而 PMIA/TPU 纤维毡在持续火焰下几乎不被点燃，火焰移除后无明显辉光和火焰传播。锥形量热仪测试显示，PMIA/TPU 纳米纤维的总热释放比 PP 无纺布低。垂直燃烧测试中，PP 在 12s 内烧尽，PMIA/TPU 纳米纤维无持续燃烧或阴燃，变形极小且无滴落。PMIA/TPU 纳米纤维的阻燃性能得益于 PMIA 的固有自熄能力和溶解 PMIA 时添加的 Li²⁺离子增加的大气吸水性，脱水过程吸热进一步增强了阻燃效果。

三：结论

研究团队利用高效的气辅共静电纺丝技术开发了一种基于PMIA的阻燃高性能空气过滤器，实现了2-4.5 mL/h的生产率，比传统共静电纺丝高出五到八倍。制备的PMIA/TPU纳米纤维具有独特的螺旋形貌和蓬松的纤维毡结构，平均孔径为2.1微米，面密度为0.58 mg/cm²，孔隙率为91%，实现了99.3%的PM2.5捕获效率和54.6帕的压降。纤维过滤器的极限氧指数（LOI）值为25.1%，显示出其抗燃能力。PMIA/TPU过滤器在燃烧测试中表现出极小的点火性，展现出卓越的阻燃性能。

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文章来源：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.131317