​近日，由华南理工大学陈杨、谢东、李素哲、宋璐媛、袁子轩等研究人员组成的团队在《Separation and Purification Technology》期刊发表了题为《基于金属丝无针头静电纺丝技术制备细直径聚酰亚胺纳米纤维膜用于高温环境下PM0.3高效过滤》的研究论文。该团队通过创新的金属丝基无针头静电纺丝技术，成功制备出平均直径仅122 nm的聚酰亚胺（PI）纳米纤维膜，在高温环境下仍能保持99.96%的PM0.3过滤效率，并兼具低气流阻力189.18 Pa与优异疏水性（接触角130°±3°），为工业高温烟气颗粒物过滤提供了高效可靠的解决方案。

一：研究背景

工业化和城市化进程中，细颗粒物（PM2.5–0.3）排放增加，主要来源于燃烧活动和自然现象。这些颗粒物成分复杂，可能携带细菌，对健康危害大，如引发哮喘、心血管疾病和癌症。现有高温过滤技术对小于2.5微米的颗粒去除效果不佳。纳米纤维过滤器因“滑移效应”降低气流阻力，展现出更高的过滤效率和更低的压降。其中，聚酰亚胺（PI）因其优异的机械性能和热稳定性，成为高性能空气过滤材料。然而，传统PI纳米纤维膜的静电纺丝技术存在制备过程复杂、时间长等问题，限制了其在工业应用中的经济性和可扩展性。

本研究利用金属丝基无针静电纺丝工艺，通过调整60 kV到80 kV的电压，控制纳米纤维的直径，从而在8到12分钟内快速生产出适用于高温和高效过滤的细直径PI纳米纤维膜。这种膜不仅具有高过滤效率和低阻力，还展现出良好的热稳定性和疏水性能，为高温环境中的颗粒物（PM）过滤提供了一种新的解决方案。

二：核心研究内容

（1）金属线无针式静电纺丝制备细直径聚酰亚胺纳米纤维膜

研究运用金属丝基无针静电纺丝技术处理聚酰亚胺（PI）材料，在 80 kV 的高电压（对应电场强度为 333.33 kV/m ）下，仅花费 10 分钟就成功制得纳米纤维膜，其平均纤维直径为 122 纳米，可用于 PM0.3 过滤。该制备技术避免了传统针式静电纺丝的喷嘴堵塞和磨损问题，且通过调整电压能精准控制纤维直径。（见图1）

图1. (a) PAA溶液制备过程；(b) 基于金属丝的无针静电纺丝过程及原理；(c) PAA纳米纤维膜的热酰亚胺化过程。

（2）99.99% PM0.3 过滤效率，189.18 Pa 低阻力后滑流效应

细直径 PI 纳米纤维膜对 PM0.3 展现出极高的过滤效率，达到 99.99% ，运行时的阻力却仅有 189.18 帕。图 5 直观呈现了 PI16 - 80 - 10 样本对 PM0.3 过滤效率达 99.99% ，且在不同风速下与 H13 过滤效率、阻力的对比情况。在对比不同浓度 PAA 溶液、不同静电纺丝时间和电压制备的纳米纤维膜过滤性能时，发现 PI16 - 80 - 10 样本表现最优。其在保证高效过滤的同时，具有良好的透气性和低能耗，在与玻璃纤维空气滤纸 H13 的对比测试中，在相同条件下过滤效率相当，但过滤阻力比 H13 低 60%。（见图2）

图2. 不同浓度PAA溶液和静电纺丝条件下制备的细直径PI纳米纤维膜对PM0.3（a）和PM0.5–2.5（b）的过滤性能；细直径PI纳米纤维膜与玻璃纤维空气过滤纸H13对PM0.3（c）和PM0.5–2.5（d）的过滤性能比较。

（3）膜在 5 小时高温处理后仍保持 99.96%的 PM0.3 过滤效率

经过 390°C 高温连续处理 1 小时后，细直径 PI 纳米纤维膜对 PM0.3 的过滤效率仍能维持在 99.96%，并且可以完全过滤 PM2.5 。图 3（a）通过热重（TG）、微分热重（DTG）和差示扫描量热（DSC）曲线表明膜在 550°C 以下热稳定性良好；图 3（b）、（c）呈现不同温度下膜的过滤效率变化，即便在 400°C 处理 1 小时后，虽然对 PM0.3 的过滤效率轻微下降至 99.77% ，但对 PM2.5 的过滤效率依旧保持 100%。

图3. (a) 细直径PI纳米纤维膜的热重分析（TG）、差示热重分析（DTG）及差示扫描量热法（DSC）曲线；经不同温度处理后，细直径PI纳米纤维膜与玻璃纤维空气过滤纸H13对PM0.3（b）和PM0.5–2.5（c）的过滤性能比较；经不同温度处理后，细直径PI纳米纤维膜与玻璃纤维空气过滤纸H13表面的水接触角比较（d）。

（4）130°±3°的疏水性，在潮湿条件下增强过滤效果。

该膜呈现出卓越的疏水性能，静态接触角为 130°±3° 。图 3（d）展示了不同温度处理后细直径 PI 纳米纤维膜和玻璃纤维空气滤纸 H13 表面水接触角对比，显示膜的疏水性能优势。与玻璃纤维空气滤纸 H13 相比，PI 纳米纤维膜的疏水性能更优，在不同温度热处理后，其疏水性能受影响极小。这得益于 350°C 的高温亚胺化过程去除了亲水基团，且较细的纳米纤维形成更小的孔径，增大了对水滴的张力，有助于在潮湿环境下维持过滤性能。

三：结论

本研究通过一种新的策略成功开发出一种具有卓越高温过滤性能的细直径聚酰亚胺（PI）纳米纤维膜。利用金属丝基无针静电纺丝技术，在80 kV（电场强度：333.33 kV/m）的电压下制备的纳米纤维膜，平均纤维直径为122纳米。细直径纳米纤维显著提高了对PM0.3的拦截效率，实现了99.99%的过滤效率，并通过滑移效应将过滤阻力降低到189.18帕，优于玻璃纤维空气过滤纸H13的性能。然而，这以牺牲机械性能为代价，其拉伸应力仅为6.355 MPa，仍需优化以增强机械性能。

在550°C以下，细直径PI纳米纤维膜展现出良好的热稳定性，在350°C到390°C的高温处理5小时后，仍能保持99.96%的PM0.3过滤效率。尽管在400°C处理1小时后，PM0.3的过滤效率略有下降至99.77%，但对PM2.5的过滤效率仍保持在100%。研究结果为PI纳米纤维在高温过滤应用中的性能极限提供了新的希望。

此外，细直径PI纳米纤维膜展现出疏水性能，初始静态接触角高达130°±3°，这不仅有助于在潮湿环境中保持过滤效果，还为增强材料表面疏水性提供了新策略。鉴于其高过滤效率、低阻力、良好的热稳定性和疏水性能，细直径PI纳米纤维膜在高温颗粒物过滤领域具有巨大的应用潜力。后续研究应聚焦于优化细直径PI纳米纤维膜的机械性能，以拓展其应用范围。

查阅链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130115