研究背景：现代技术的发展增加了全球能源消耗，导致空气污染加剧，对环境、气候和人类健康产生了负面影响。对全球健康影响最大的主要空气污染物是颗粒物（PM）。根据粒径不同，PM2.5 和 PM10 颗粒很容易被人体吸收，并沉积在血管、肺泡和肺部。由于纳米纤维过滤器具有比表面积大、柔韧性好和尺寸小的特点，研究人员已将其用于制造预防 PM 的口罩。通过叠加多个纳米纤维膜，利用纳米尺寸或小孔径过滤器增强物理筛分作用，可提高过滤效率。由 PAN 制备的多孔膜，其 C-N 键之间的偶极矩增加，表现出卓越的过滤效果。静电纺丝是一种高效可靠的纳米纤维制备技术，可显著推动过滤应用的发展。在分析 PAN、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚乙烯醇（PVA）的过滤效率时，研究表明，PAN空气过滤器在高速气流中可实现超过95%的过滤效率，并达到最高透明度。然而，许多研究关注的是在恶劣条件下，利用静电吸附捕获PM以及空气过滤器的变形情况。事实上，高速气流会因压力累积导致空气过滤器结构变形，使滤网孔径增大，降低过滤器的长期耐用性。研究指出，3D 层状结构的恒定厚度和纳米纤维的较小直径，可能会提高过滤性能。过滤分析表明，PAN对 PM10 和PM2.5的去除效率最高。

在本研究中，东华大学覃小红教授团队通过静电纺丝技术制备了具有微观梯度结构的 PAN 纳米纤维膜，以提高空气过滤性能。PAN 聚合物的极性官能团（-C≡N）及其捕获颗粒的特性，使其成为过滤介质的主要成分。细、中、粗纳米纤维膜构成了微观梯度结构，这种膜结构在早期研究中已有应用。每种膜都具有较大的比表面积和平均孔径。纳米纤维膜能够分别捕获不同粒径的颗粒物，在过滤应用中可将效率提高到 99.99%。该研究成果发布在国际期刊《Materials Letters》。

实验制备了 8%-12% 聚丙烯腈（PAN）纳米纤维，调整了纳米纤维膜厚度与孔径。如图 2（a）所示，纳米纤维表面光滑、分布均匀，形成随机取向的三维膜。12% PAN 纳米纤维平均直径约 196 纳米，10% 和 8% PAN 纳米纤维直径分别降至约 124 纳米和 89 纳米，8% 和 10% PAN 纳米纤维直径分布较窄。FMC、MCF 和 CFM 纳米纤维膜比表面积孔隙率逐渐增加，分别为 8.792、9.258 和 9.322 平方米每克。为生产高效、低阻力空气过滤器，生成具有多种纤维直径和密度的微梯度结构纳米纤维膜，实现多级过滤。每种膜在筛分和过滤不同尺寸颗粒方面功能各异，使微梯度结构过滤器具高效率、低阻力、大粉尘容尘量和长使用寿命，非织造膜大孔隙率与纤维直径通常与孔径分布相关。

图2b展示了PAN 纳米纤维 N 1s 和全谱 XPS 光谱，C 1s、N 1s 和 O 1s 三个主要峰分别位于 286.02 电子伏特、399.65 电子伏特和 532.32 电子伏特，PAN 中 C≡N 基团致高分辨率 XPS 光谱 N 1s 光谱约 399.65 电子伏特处现峰。机械性能方面，经过测试三个样品的拉伸强度，0.033 毫米厚 FMC 纳米纤维膜平均拉伸强度 13.73±2.1 MPa，伸长率 6.2±0.16%；0.068 毫米厚纳米纤维膜强度 16.15±0.12 MPa，伸长率 5.8±0.2%，如图 2c所示。

图 3a 和图 3b 分别展示了氮气吸附 - 脱附等温线和孔径分布曲线。PAN 膜的比表面积和孔径分布对其性能有重大影响。因为梯度结构中的膜序列导致不同膜具有不同的比表面积和更高的孔隙体积。图 3（c 和 d）展示了具有 FMC、MCF 和 CFM 组合的纳米纤维膜的微梯度结构模型。梯度结构通过提供更大的螺旋路径增加了颗粒与介质膜相互作用的机会，这可能需要颗粒花费更多时间才能通过。当 C、M 和 F 纳米纤维膜的设计发生变化时，复合膜介质的过滤效果略有变化。CFM 膜的细膜由于其深度过滤和增加的堆积密度，主要消除了超细颗粒物（PMs），而粗膜作为预过滤器去除较大的空气污染物，从而降低压力降并拓宽气流通道。拦截是指颗粒在穿越气流线并与过滤介质接触后通过纤维被捕获的过程。这种技术适用于粒径大于 0.5 微米的较大颗粒，例如在暖通空调（HVAC）系统中。扩散主要影响粒径小于 0.5 微米的颗粒，由于布朗运动，使它们更有可能被过滤纤维捕获，尤其是在用于超细颗粒物的高效空气过滤器（HEPA）中。惯性冲击是一种在空气过滤系统中有效工作的过程，因为粒径大于 1 微米的较大颗粒无法改变方向而粘附在过滤纤维上，阻止它们通过过滤器。

最后通过对不同厚度的纳米纤维膜进行空气渗透性测试，测试压力降为 100 帕斯卡。观察发现，薄膜的空气渗透性最高，优于厚膜，如图 4（a）所示。这些空气渗透性结果与文献相比有所提高。我们对 MCF、CFM 和 FMC 纳米纤维膜的微梯度结构进行了过滤测试，每种样品测试重复五次。图 4（b）显示了纳米纤维膜过滤的不同大小的空气颗粒。结果表明，厚度为 0.06 毫米的膜成功过滤了所有尺寸的颗粒。厚膜的效率高达 99.99%，而薄膜的过滤效率则为 99.91%，如图 4（b1 和 b2）所示。

本研究成功通过静电纺丝设备制备了高效过滤纳米纤维膜。通过精准调控电纺丝过程中的关键参数，实现了不同纤维直径和孔隙率的 PAN 纳米纤维膜的有序构筑，进而制备出具有微梯度结构的高效过滤膜。其独特的结构以不同的纤维直径为特征，能够通过机械和静电机制有效捕获颗粒。CFM 和 MCF 纳米纤维膜在通过气溶胶颗粒时实现了 99.99% 的过滤效率。F 膜主要提高过滤效率，而 C 和 M 膜降低空气阻力。针对PM0.3 和 PM0.19细颗粒物的过滤效率提高。由此可见，静电纺丝设备及技术，可以助力基础材料到高性能空气过滤膜的高效转化，为在空气过滤领域的实际应用提供有力支撑，也为后续开发更优质、创新型的过滤材料打下基础。值得一提的是，微迈实验级小试设备 MN60就是专为实验室产业化配方开发设计的静电纺丝设备，搭载100多针模块化阵列与智能下纺系统，以科研级成本实现产业化工艺验证。该设备突破传统单针实验的局限性，可快速生成大尺寸样品（幅宽600mm），精准模拟量产条件，助力科研团队高效完成配方优化、工艺验证及科研成果转化。

文献来源：https://doi.org/10.1016/j.matlet.2025.138330