引言：气固分离在工业生产与民用领域应用广泛，如高附加值粉末生产、气固相反应、工业废气净化等^[1,2,3,4]。但过滤材料面临效率与阻力的性能权衡难题。理论上减小纤维直径可通过气体滑流效应降低阻力并提升过滤效率[^5,6]，然而实际气体净化中温度波动导致滑流条件变化，且材料制备工艺、强度及耐热性限制使其难以适应苛刻环境。尽管有研究通过结构设计、表面修饰等策略优化性能，但如何在兼具制备可行性与应用适应性的前提下，突破传统过滤材料的性能瓶颈，实现高效低阻的气固分离，仍是当前空气过滤材料领域亟待解决的问题。

近日，来自江苏大学的邢卫红教授、东华大学的陈志钢教授团队等人，《Advanced Fiber Materials》发表了题为“Noninquilibrium Evaporation-Driven Preparation of Nanofiber Membranes with Streamlined Structures for Ultraefficient Gas‒Solid Separation”（非平衡蒸发驱动制备具有流线型结构的纳米纤维膜用于超高效气固分离）的最新研究成果。该团队通过非平衡蒸发策略与静电纺丝技术，成功制备出具有流线型杆-带交织结构的SiO₂/SnO₂纳米纤维膜（STNFMs），实现了对PM₀.₃的99.96%的过滤效率，以及仅仅62帕的压降。这一成果为空气过滤材料的高性能化提供了新思路。
受生物结构中观察到的空气动力学原理的启发（图 1a），团队进一步优化了设计，从棒状纤维过渡到受海豚启发的流线型，最终到可变的白鹳翅膀状结构。在团队之前的研究中（图 1b），团队发现设计不对称的纤维结构，特别是与气流方向对齐的细长椭圆形纤维，并减少纤维交叉角度，可以显著降低气流阻力，从而提高整体过滤性能 ^[7]。因此，这种流线型设计有望最小化湍流和尾流涡旋，减少阻力，同时纤维与颗粒之间的高碰撞概率进一步提高过滤效率。

1. STNFMs 的设计与制备

在 STNFMs 的制备过程中，电纺驱动的纤维工程通过协同调整工艺参数（电压、温度、湿度）和溶液性质，为定制纳米纤维架构提供了灵活平台。溶剂与非溶剂间的相分离可精确控制分级纤维几何形状，如均匀乙醇 / 水共溶剂蒸发下制得的 S0NFM 呈现均匀棒状纤维，而引入盐酸非溶剂后，HCl 富相和贫相的蒸发速率差异，使射流在电场中受力不均，形成棒状和带状纤维交织结构。其中，棒状纤维来自 HCl 贫相，带状结构源于 HCl 富相，且两者比例与锡前驱体掺杂量成反比，直径和厚宽比则与溶液电导率负相关。制备棒 - 带交织纤维需满足三个条件：合适表面张力以形成稳定射流、含沸点差异显著的导电溶剂、溶液电导率维持在最佳范围。当锡掺杂量超过 ST10 配方时，溶液电导率过高导致射流不稳定，阻碍更多带状纳米纤维形成，相关制备机制如图 2 所示。

2.STNFMs 的形貌与机械性能

纤维形貌对膜的过滤性能影响显著。SEM 图像显示，纯二氧化硅纳米纤维（S0NFM）为均匀棒状结构，而掺杂不同锡含量的 STNFMs 呈现扁平自弯曲的带状结构，厚度约（95±15）nm。随锡掺杂量增加，棒状纤维直径从 380 nm 降至 360 nm，带状纤维宽度从 1.2 μm 增至 1.6 μm，带状结构比例从 35% 升至 55%。TEM 图像证实硅、氧、锡在棒状和带状纤维中均匀分布，且棒状纤维在 TEM 中对比度更高，进一步验证带状纤维的扁平特性。机械性能测试表明，随 SnO₂引入，膜的拉伸强度从 S0NFM 的 1.03 MPa 增至 ST10NFM 的 4.01 MPa，应变达 7%，其弹性变形区与自弯曲带状纤维的松散结构相关，有助于空气过滤器在高阻力下维持透气结构，相关形貌和性能数据如图 3 所示。

3. STNFMs 的气固分离性能评估

空气过滤膜通过静电吸引、物理拦截等多种机制去除颗粒。在相同基重（6 g/m²）下，STNFMs 的孔径和透气性随锡掺杂量增加而增大，平均孔径从 S0NFM 的 1.5 μm 增至 ST10NFM 的 3.4 μm，但过滤效率却反向提升，ST10NFM 对 PM0.3 的截留率达 99.96%，远超 S0NFM 的 99.67%，这与带状纤维提供的更大有效接触面积有关，可缓冲颗粒动量。同时，压降从 S0NFM 的 102 Pa 降至 ST10NFM 的 62 Pa，质量因子 Qf 从 0.045 Pa⁻¹ 提升至 0.126 Pa⁻¹。基重优化实验表明，随基重从 1.1 g/m² 增至 6 g/m²，ST10NFM 的 PM0.3 过滤效率从 41.32% 升至 99.96%，Qf 在 6 g/m² 时达最大值。将 ST10NFM 用于口罩核心过滤层，其过滤效率优于 KN95 口罩且压降更低，能量消耗仅为商用玻璃纤维膜的 12.2%，相关性能测试结果如图 4 和图 5 所示。

图5：a不同基重的ST10NFM对PM₀.₃的过滤效率 b不同基重的ST10NFM对PM₀.₃的过滤压降 c不同基重的ST10NFM对PM₀.₃的过滤质量因子 d不同基重和应用空气流速系统下的空气净化示意图 e不同空气流速下ST10NFM对PM₀.₃的过滤效率 f不同空气流速下ST10NFM对PM₀.₃的过滤压降 g不同空气流速下ST10NFM对PM₀.₃的过滤质量因子

 

4. 流线型交织结构增强气固分离的机制

受白鹳翅膀结构启发，通过计算流体力学（CFD）模拟分析流线型交织结构的过滤优势。二维模型显示，均匀棒状纤维模型压降稳定，而未优化的棒 - 带交织结构因 frontal area 大，形成厚边界层和大涡旋区，消耗更多气流动能；优化后，气流以一定角度流过纤维，抑制流分离和涡旋，降低阻力。三维模型证实，带状纤维更大的表面积增加了颗粒 - 纤维碰撞概率，结合筛分、惯性碰撞等多种机制提升过滤效率。ST10NFM 在 20 次循环过滤中效率稳定，压降从 67 Pa 升至 87 Pa，综合性能优于多数已报道的无机和聚合物基电纺纤维膜，其机制分析如图 6 所示。

综上，团队基于非平衡蒸发策略成功开发了一种新型仿生交织纳米纤维膜。与均匀棒状纳米纤维膜相比，交织棒 - 带结构膜具有更细的棒状纤维和高长径比的带状纤维。提出了基于非平衡蒸发策略的交织纳米纤维制备机制。所得交织棒 - 带膜对颗粒物（PM）表现出优异的综合过滤性能，在 5.33 cm/s 风速下对 PM0.3 的过滤效率达 99.96%，最小压降 62 Pa。膜还表现出优异的循环稳定性，进一步证实其长期适用性。棒-带交织结构的独特形貌增强了筛分、拦截和惯性冲击等多种过滤机制，同时显著降低气流阻力。该研究凸显了纳米纤维膜在实现高过滤效率和低压降方面的潜力，在空气净化和工业高温过滤系统中具有广阔应用前景。专业的静电纺丝设备静电纺丝技术在过滤材料的研究中越来越受欢迎，这主要是因为静电纺丝技术生产技术并不复杂，但却可以通过精确调控纺丝设备的电压、温湿度和接收距离等参数，制备一系列复杂多材料的复合型纳米纤维膜，佛山微迈科技有限公司自主研发的专业静电纺丝设备不仅能实现纤维直径的精准控制（可低至数十纳米），还能通过多针头设计或动态接收装置实现纤维的定向排布与交织，使材料的兼具高比表面积和优化孔隙结构的特殊形貌，从而获得高性能过滤材料。这种可控、高效的制备工艺凸显了静电纺丝技术在新一代空气过滤材料研发中的不可替代性，其良好的工艺扩展性也为后续工业化生产奠定了基础。

文献来源：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00578-x

引用来源：
[1]Zhang S, Liu H, Tang N, Zhou S, Yu J, Ding B. Spider-web-inspired PM0.3 filters based on self-sustained electrostatic nanostructured networks. Adv Mater. 2020;32:2002361.
[2]Yang Y, Li X, Zhou Z, Qiu Q, Chen W, Huang J, Cai W, Qin X, Lai Y. Ultrathin, ultralight dual-scale fibrous networks with high-infrared transmittance for high-performance, comfortable and sustainable PM0.3 filter. Nat Commun. 2024;15: 1586.
[3]Fu Q, Liu Y, Liu T, Mo J, Zhang W, Zhang S, Luo B, Wang J, Qin Y, Wang S, Nie S. Air-permeable cellulosic triboelectric materials for self-powered healthcare products. Nano Energy. 2022;102: 107739.
[4]Balamurugan J, Austeria PM, Kim JB, Jeong ES, Huang HH, Kim DH, Koratkar N, Kim SO. Electrocatalysts for zinc-air batteries featuring single molybdenum atoms in a nitrogen-doped carbon framework. Adv Mater. 2023. https://doi.org/10.1002/adma.202302625.
[5]Wakeman RJ, Tarleton ES. Filtration: equipment selection, modelling and process simulation. Amsterdam: Elsevier; 1999.
[6]Wang C-s, Otani Y. Removal of nanoparticles from gas streams by fibrous filters: a review. Ind. Eng. Chem. Res. 2012;52:5.
[7]He W, Low ZX, Feng S, Zhou Q, Zhang F, Zhong Z, Xing W. Prediction and optimization of interlayer-interface resistance for expanded polytetrafluoroethylene-laminated polyphenylene sulfide composite membranes. Ind Eng Chem Res. 2022;61:6662.