近年来，随着采矿机械化等程度提升，煤矿工作环境的粉尘污染愈发严重，可吸入煤矿粉尘引发的职业性肺部疾病，成为影响矿工生命健康的主要因素。佩戴防尘口罩是重要防护手段，静电纺纳米纤维滤膜因工艺简单、过滤性能高，在空气过滤和防尘领域应用渐广。众多高分子聚合物被加工成用于过滤的纳米纤维，但部分研究中纤维膜虽有过滤效率高、阻力低的优势，却因颗粒流速设定不符合矿用口罩检测标准而受限。依据“呼吸防护 自吸过滤式防颗粒物呼吸器（GB2626 – 2019）”要求，滤料检测的空气流速应为 85±4L/min。此外，电纺纳米纤维膜具有丰富的层次和复杂性，传统数学方法难以描述其特性，而分形理论可描述纳米纤维膜的多样性和复杂性。

基于这个研究背景，来自山东科技大学安全与环境工程学院的柳茹林教授团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》期刊发布了题为“Electrospun porous polyacrylonitrile/polyvinylpyrrolidone nanofiber membrane with ultra-hydrophilic and high moisture-permeability for dust personal protection”的研究成果。该团队通过静电纺丝和后处理技术制备了多孔聚丙烯腈 - 聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜，成功实现了高效过滤效率和低阻力。这一成果为改善矿井工作环境中的个人防护装备性能，提供了新型防尘材料。

团队首先将聚丙烯腈（PAN）溶解于二甲基甲酰胺（DMF）中，再添加聚乙烯吡咯烷酮（PVP），经搅拌得到纺丝溶液。接着利用静电纺丝技术，将溶液注入注射器，在 18kV 工作电压、1ml/h 的速率下制备出纳米纤维膜。随后通过后处理技术，将纳米纤维膜浸泡在水溶液中，使 PVP 溶解并被去除，从而形成多孔结构，最终成功制备出多孔聚丙烯腈 - 聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜，其制备和后处理过程的示意图见图 1。

通过对 PAN/PVP 纤维形态的 SEM 分析可知，随着 PAN 和 PVP 浓度的增加，纤维直径增大。其中，10PAN - 0.5 纤维膜的纤维直径较为均匀，分布在 0.70μm - 1.00μm 之间。

采用 BET 测试方法对纤维膜的孔径和比表面积进行测试。改进后的 PAN/PVP 纤维膜比表面积从 12.1055 平方米 / 克增加到 28.2822 平方米 / 克，孔体积从 0.038032 立方厘米 / 克增加到 0.186852 立方厘米 / 克，这使得纤维膜能够在保持高过滤效率的同时实现低压降。在井下 85 升 / 分钟的空气流速下，对制备的复合纳米纤维膜进行过滤效率和压降测试，此时 10PAN - 1 纤维膜仍具有 98.76% 的高过滤效率和 165 帕的低压降，这与纤维膜中制备的多孔结构密切相关（见图6）。

进行接触角测试，结果表明随着 PVP 含量的增加，纳米纤维膜的水接触角逐渐减小。水滴落在纤维膜上 1 秒后，10PAN、10PAN - 0.5、10PAN - 1 和 10PAN - 1.5 纤维膜的水接触角分别降至 27.4°、27.9°、21.3° 和 14°，证明制备的纤维膜具有较强的亲水性，详见图8。

对纳米纤维膜的透湿性进行测试，结果显示 10PAN - 0.5 和 10PAN - 1 纳米纤维膜均具有较高的透湿性（见图10），能更好地应用于矿山个体防护。

本研究通过结合静电纺丝和后处理技术，成功制备出用于井下个人防护的多孔聚丙烯腈 / 聚乙烯吡咯烷酮（PAN/PVP）纳米纤维膜。该膜相比纯 PAN 纳米纤维膜，比表面积增加 133.63%，孔隙率提高 391.02%，在 85L/min 空气流速下，过滤效率达 98.76%，压降仅 165Pa，且亲水性强、透湿性良好。同时，运用分形理论研究了纤维膜孔隙与呼吸阻力的关系，为后续研究提供了理论依据。

此次研究成果也展现了静电纺丝技术在制备高性能纳米纤维膜方面的巨大潜力。微迈的 MN60 实验级小试静电纺丝设备，搭载 100 多针模块化阵列与智能下纺系统，占地仅2㎡，不仅支持实验室研发试验，还能精准模拟量产条件，助力科研团队高效完成配方优化、工艺验证、小规模量产，加速技术商业化进程。

文献来源：https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.113524