梁幸幸，楊　穎，許德平

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2. 清華大學(xué)電機(jī)系，北京 100084；3. 清華大學(xué)電力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

目前，PM2.5與PM10帶來(lái)的危害已引起全世界的關(guān)注，而過(guò)濾是應(yīng)用最為廣泛的空氣凈化的方法，因此空氣過(guò)濾設(shè)備成為了研究熱點(diǎn)，其核心過(guò)濾材料的研究和開發(fā)更是成為了重中之重。傳統(tǒng)的空氣過(guò)濾材料主要包括石棉纖維、聚酯與聚丙烯腈等合成纖維、玻璃纖維等，但其僅對(duì)0.3 μm以上的微粒有較高的過(guò)濾效率，對(duì)亞微米微粒以及其他較小的病原體難以實(shí)現(xiàn)有效過(guò)濾[1]。靜電紡絲工藝因能夠直接、連續(xù)制備聚合物亞微米與納米纖維被廣泛研究[2]，基于其高孔隙率、小孔徑和大比表面積的結(jié)構(gòu)，具有很好的過(guò)濾性能，因此在空氣過(guò)濾方面得到了極大的關(guān)注[3]。

1　空氣過(guò)濾原理

1.1　空氣過(guò)濾理論的研究進(jìn)展

過(guò)濾凈化技術(shù)理論的研究在20世紀(jì)迅速發(fā)展，相應(yīng)的過(guò)濾理論也逐漸建立，而空氣過(guò)濾器的發(fā)展只有短短20多年的歷史[4-5]。過(guò)濾理論最早起源于1827年，蘇格蘭植物學(xué)家羅伯特·布朗發(fā)現(xiàn)水中花粉及其它懸浮的微小顆粒不停地作不規(guī)則的曲線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，即布朗運(yùn)動(dòng)[6]。在1922年， Freundlic[7]研究了對(duì)氣溶膠過(guò)濾規(guī)律的認(rèn)識(shí)[8]，得出半徑在0.1～0.2 μm范圍之內(nèi)的氣溶膠微粒有最大滲透率。1931年，Albrecht運(yùn)用流體力學(xué)的理論對(duì)氣流通過(guò)單一的圓柱纖維運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，并建立了Albrecht理論，隨后Sell在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了重要的改進(jìn)[9]。1936年，Kaufmann率先把布朗運(yùn)動(dòng)和慣性沉淀這2個(gè)概念結(jié)合應(yīng)用到纖維的過(guò)濾理論中，推導(dǎo)出了過(guò)濾用的數(shù)學(xué)公式[10-13]。1942年，Langmuir對(duì)過(guò)濾理論繼續(xù)了進(jìn)一步的研究，得出過(guò)濾可以當(dāng)作截留和擴(kuò)散的綜合作用，而且可以忽略慣性粒子在其過(guò)濾纖維上的沉淀[14]。1952年，Davies相互結(jié)合截留、擴(kuò)散和慣性沉淀3種機(jī)制，在此基礎(chǔ)上建立了孤立纖維理論[15]。1958年Friedlander[16-17]與1967年YoshioKa[18]等對(duì)在較大雷諾數(shù)的情況下顆粒的慣性和擴(kuò)散沉積以及包括重力效應(yīng)和過(guò)濾器阻塞的現(xiàn)象進(jìn)行了研究和總結(jié)，發(fā)展了獨(dú)立纖維理論。1967年，Pickaar[17,19]和Clarenburg[20]在研究中致力于提出一個(gè)纖維過(guò)濾器微孔結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)理論。1987年P(guān)ich和1993年Brown在其專著中描述了過(guò)濾理論的最新發(fā)展[21-22]。1992年P(guān)ayet等對(duì)氣體在單一纖維上的滑動(dòng)進(jìn)行了考慮，進(jìn)而對(duì)經(jīng)典理論引入了修正系數(shù)，使得理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更好地吻合[23]。1995年Rosner提出分散在單一纖維體表面的顆粒以不規(guī)則的分布和經(jīng)常形成樹枝狀結(jié)構(gòu)為特征，建立了改善的理論和顆粒在單一纖維體上的空間分布，利用此理論和計(jì)算程序可預(yù)測(cè)顆粒的沉積[24-25]。2001年，Thomas等研究了過(guò)濾器在發(fā)生阻塞的情況時(shí)的空氣過(guò)濾理論與試驗(yàn)，提出了過(guò)濾器在濾餅存在的情況下，過(guò)濾效率和壓力損失計(jì)算模型[26]。

1.2　空氣過(guò)濾機(jī)理

過(guò)濾過(guò)程分為2個(gè)階段，即穩(wěn)態(tài)過(guò)程和非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。穩(wěn)態(tài)過(guò)濾理論基于2個(gè)基本假設(shè)：1)過(guò)濾材料對(duì)微粒的捕捉效率為1，即微粒一旦碰到纖維就被捕集；2)微粒一旦沉積，對(duì)過(guò)濾過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步影響。因此在此階段，捕捉效率和阻力與時(shí)間無(wú)關(guān)，由過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)、微粒的固有性質(zhì)和氣流大小決定。非穩(wěn)態(tài)過(guò)程十分復(fù)雜，目前對(duì)此尚無(wú)完善的理論研究成果。

經(jīng)典過(guò)濾理論一般建立在穩(wěn)態(tài)過(guò)程，主要的過(guò)濾機(jī)理有攔截效應(yīng)、慣性沉積效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、重力沉積效應(yīng)和靜電吸附效應(yīng)[27-30]。攔截效應(yīng)主要是范德華力作用的結(jié)果；慣性沉積效應(yīng)是因慣性力的存在，導(dǎo)致空氣中的微粒脫離流線撞擊到濾料纖維表面進(jìn)行沉積，慣性力隨著微粒的增大而加大，主要針對(duì)大于0.5 μm的微粒；擴(kuò)散效應(yīng)指空氣中的微粒與氣體分子碰撞做無(wú)規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而隨機(jī)地與濾料中纖維發(fā)生碰撞而被捕獲，主要針對(duì)小于0.1 μm的微粒；重力沉積效應(yīng)是在重力作用下質(zhì)量相對(duì)較大的微粒通過(guò)纖維層時(shí)脫離流線沉積，一般對(duì)于0.5 μm以下的粒子，其重力作用可忽略不計(jì)；靜電吸附效應(yīng)的影響主要集中在兩方面：一是靜電作用使微粒流線沉積；二是靜電作用使微粒在濾料纖維表面上更加牢固的黏結(jié)。

靜電紡納米纖維過(guò)濾材料的過(guò)濾機(jī)理為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，而且單根纖維的捕捉效率并不是各種效應(yīng)下捕集效率的簡(jiǎn)單加和，而是5種效應(yīng)共同作用的結(jié)果[31]。表征過(guò)濾材料本身性能優(yōu)劣的主要參數(shù)為纖維直徑和填充率，微粒直徑與空氣的流速也是影響過(guò)濾性能的重要因素，一般認(rèn)為過(guò)濾效率隨著纖維直徑的減小而增加，隨著微粒直徑的增加而增加。

2　靜電紡技術(shù)及其制備過(guò)濾材料的研究

2.1　靜電紡絲概述

圖1　靜電紡絲裝置工作示意圖Fig.1　Schematic diagram of electrostatic spinning device

19世紀(jì)末期，Rayleigh把電紡絲作為電噴涂的部分進(jìn)行了報(bào)道，并研究了進(jìn)行電紡絲所需施加的電場(chǎng)。隨后20世紀(jì)30年代，F(xiàn)ormhals申請(qǐng)了第1個(gè)靜電紡絲技術(shù)制備纖維的專利[32]，成為了靜電紡絲技術(shù)制備纖維的開端。靜電紡絲技術(shù)具有生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)易，多種可紡物質(zhì)選擇，成本低廉，生產(chǎn)中的各項(xiàng)工藝參數(shù)可以調(diào)控等突出優(yōu)點(diǎn)，在有效制備納米纖維或微納米纖維膜的領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用。靜電紡絲裝置工作示意圖見圖1，主要由高壓電源、針頭和接收裝置3部分組成，高壓電源連接注射泵針頭，接收裝置進(jìn)行接地。其原理主要是：在施加高壓靜電的環(huán)境下，針頭處具有一定黏度的聚合物液體(溶液或者熔融物)被電場(chǎng)力拉伸形成“泰勒錐”[33-34]，當(dāng)電場(chǎng)力足夠克服其表面張力和內(nèi)部黏結(jié)力時(shí)，“泰勒錐”表面噴射出聚合物溶液射流(其流速大概在幾米/秒)。射流在較短的時(shí)間和距離內(nèi)經(jīng)過(guò)電場(chǎng)力的高速拉伸、溶劑揮發(fā)或熔體冷卻、相分離與固化，最終在接收極得到亞微米甚至納米數(shù)量級(jí)的聚合物纖維[35-36]。通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維膜，其直徑比傳統(tǒng)方法得到的纖維直徑小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，通?？刂圃趲资{米到幾十微米之間，孔隙率高，比表面積較大；擁有互聯(lián)的曲折孔結(jié)構(gòu)，空隙大小達(dá)到亞微米級(jí)；還可以通過(guò)控制電紡時(shí)間以及纖維膜的后續(xù)處理控制厚度；而且目前有多種聚合物或其單體的多種共聚物都可以利用靜電紡絲技術(shù)制備微納米纖維膜，如聚氧化乙烯(PEO)系、聚丙烯腈(PAN)系、聚偏氟乙烯(PVDF)系、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)系、聚酰胺(PA)系等，為制備電紡纖維膜的材料提供了多樣化的選擇。

靜電紡絲技術(shù)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，而且能夠用于制備微納米纖維或纖維膜聚合物的種類繁多，但是靜電紡絲纖維膜形貌受很多因素控制，其主要因素有：溶液性質(zhì)、工藝參數(shù)與環(huán)境因素。溶液性質(zhì)包括溶劑的種類、溶液的濃度、黏度、相對(duì)分子質(zhì)量大小、電導(dǎo)率等，決定了紡絲溶液的可紡性。電紡工藝參數(shù)，包括溶液流量、紡絲電壓、接收距離、針頭內(nèi)徑等，對(duì)電紡纖維膜的形貌有重要的影響，紡絲電壓與接收距離直接決定了溶液所受的電場(chǎng)力的大小。環(huán)境因素，包括溫度、空氣濕度等對(duì)紡絲也有一定的影響。其中，溶液性質(zhì)以及電紡工藝參數(shù)是影響電紡纖維膜形貌與性能的主要因素。針對(duì)同一種聚合物的研究，溶液性質(zhì)對(duì)纖維形貌的影響比工藝參數(shù)更為顯著。雖然目前對(duì)電紡中的各種因素的影響已經(jīng)有很多研究，但一方面，對(duì)于不同聚合物溶液體系，由于其性質(zhì)不同，各因素的影響結(jié)果可能并不相同，電紡工藝參數(shù)研究的結(jié)論不一定可以通用。另一方面，電紡中很難控制判斷某一種因素的影響，因?yàn)楦饕蛩貙?duì)電紡成纖的影響可能是互相聯(lián)系的，并不完全孤立。因此對(duì)于電紡的研究還有待進(jìn)一步深入研究。

2.2　靜電紡空氣過(guò)濾材料的性能

過(guò)濾材料的性能對(duì)過(guò)濾效果有著直接的決定性作用，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)得到的為納米纖維膜，其直徑比傳統(tǒng)方法得到的纖維直徑小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，其直接范圍為幾十納米到幾十微米，其用作空氣過(guò)濾材料有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2.2.1孔徑及孔徑分布

孔徑通常指空隙的平均直徑，孔徑分布指各級(jí)孔徑所占百分比。其測(cè)試方法有BET法[37]，壓汞法[38]，泡點(diǎn)法[39]等。過(guò)濾材料對(duì)微粒的過(guò)濾是通過(guò)其內(nèi)部孔道實(shí)現(xiàn)，因而孔徑與孔徑分布很大程度上影響過(guò)濾材料對(duì)微粒大小的過(guò)濾。商業(yè)生產(chǎn)中采用聚合過(guò)濾媒介來(lái)捕獲0.3 μm大小的油滴，電紡技術(shù)有望為這種亞微米級(jí)的有害顆粒的去除提供一個(gè)新的研究方向。由于過(guò)濾器只能用來(lái)捕獲與過(guò)濾的孔結(jié)構(gòu)相匹配的顆粒或者液滴，因此在過(guò)濾器中發(fā)展高效和有效的過(guò)濾媒介最直接的方法就是采用納米纖維材料。一般情況下，電紡纖維膜因其大比表面積、小孔徑與曲折孔結(jié)構(gòu)，比較有利于捕獲小于0.5 mm的細(xì)小顆粒，進(jìn)而提高過(guò)濾效率[40]。

2.2.2過(guò)濾效率

過(guò)濾效率指被捕捉的微粒量占原空氣中微粒量的比值，直接關(guān)系到過(guò)濾器能否滿足使用要求。選取不同的檢測(cè)方法，過(guò)濾器的過(guò)濾效率會(huì)有很大的差異，所以在對(duì)不同過(guò)濾器的過(guò)濾效果進(jìn)行比較時(shí)需要先確定測(cè)試方法及其計(jì)算方法[41]。另外隨著人們要求的不斷提高，不僅是過(guò)濾效率要求提高，過(guò)濾精度的要求也越來(lái)越高。過(guò)濾精度與顆粒直徑相聯(lián)系，過(guò)濾精度值是指某個(gè)尺寸以上顆粒被濾除的效率。電紡纖維膜擁有互聯(lián)的曲折孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙的大小達(dá)到亞微米級(jí)，其對(duì)過(guò)濾效率與過(guò)濾精度的提高有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。

2.2.3過(guò)濾阻力

在過(guò)濾過(guò)程中，濾料進(jìn)、出風(fēng)口之間存在的壓力差值即為過(guò)濾阻力，也稱為壓力降。纖維能夠使氣流繞行，進(jìn)而產(chǎn)生一定的阻力，因此，氣流穿過(guò)濾料存在壓力降。一般情況下，濾料纖維填充率高，孔隙率低，壓力降則大；反之則小。電紡纖維膜有著極高的孔隙率，孔徑較為均勻，比表面積大，其直徑通常在數(shù)十納米到幾十微米的范圍之間，而且通過(guò)調(diào)節(jié)影響電紡的各種因素可以得到不同直徑的纖維，有望大幅度降低過(guò)濾阻力。

2.2.4容塵量

容塵量是在特定實(shí)驗(yàn)條件下過(guò)濾器容納試驗(yàn)粉塵的重量，只用當(dāng)試驗(yàn)粉塵和實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí)，容塵量才能用來(lái)判斷過(guò)濾器的優(yōu)劣。一般情況下，濾料的過(guò)濾精度越高，其通道易受污染物顆粒的堵塞，其容塵量就會(huì)偏低。電紡纖維膜空隙率比較高，又屬于曲折孔結(jié)構(gòu)，在保證過(guò)濾精度的情況下，又能提供較高的容塵量。

2.3　靜電紡制備空氣過(guò)濾材料存在的工藝問(wèn)題及改進(jìn)方法

靜電紡過(guò)程中纖維的形成易出現(xiàn)紡錘形的串珠，這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得纖維本身形貌變差，纖維膜的比表面積下降，嚴(yán)重影響材料的過(guò)濾性能。溶液的黏度、電導(dǎo)率以及表面張力是串珠結(jié)構(gòu)形成的主要因素。Fong等[42]對(duì)PEO的水溶液進(jìn)行了電紡研究,通過(guò)在溶液中加入氯化鈉從而增大電導(dǎo)率，以及加入乙醇降低表面張力的方式進(jìn)行了關(guān)于電導(dǎo)率和表面張力對(duì)紡絲形貌的影響的研究，結(jié)果表明，在聚合物溶液中加入無(wú)機(jī)鹽提高電導(dǎo)率后，有利于減少串珠和減小纖維直徑。靜電紡纖維直徑均勻性差也限制了其在過(guò)濾材料中的應(yīng)用，目前對(duì)于如何改進(jìn)纖維直徑均勻性的研究很少被報(bào)道，其內(nèi)在機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究[43]。Li等[44]在聚丙烯酸(PAA)水溶液中加入NaOH后，溶液的黏度增加，雖然紡絲纖維直徑增加，但纖維均勻性得到了很大改善。除此之外，電荷積聚效應(yīng)會(huì)影響纖維在接收裝置上的分布均勻性，在纖維膜薄厚不一致的情況下，薄的部分氣阻較低而且易形成較大的孔結(jié)構(gòu)，氣流大部分會(huì)從較薄的部分通過(guò)，進(jìn)而降低過(guò)濾效率與過(guò)濾性能[45]。

目前，由于溶液性質(zhì)，單針靜電紡的生產(chǎn)率很低，且提供牽伸力的電場(chǎng)容易受到干擾，嚴(yán)重阻礙了產(chǎn)品工業(yè)化的生產(chǎn)和應(yīng)用[46]。研究發(fā)現(xiàn)，針頭數(shù)量和生產(chǎn)率呈線性關(guān)系，為了提高靜電紡的生產(chǎn)率，使用多針頭噴嘴進(jìn)行靜電紡受到廣泛關(guān)注。鄭高峰等[47]提出一種具有雙層輔助氣流的多噴頭靜電紡絲裝置，能夠降低紡絲射流中的相互靜電干擾，有利于纖維的均勻收集，實(shí)現(xiàn)多噴射流的穩(wěn)定快速噴射，提高靜電紡絲生產(chǎn)率。

2.4　靜電紡空氣過(guò)濾材料的研究

1936年俄羅斯人率先采用靜電紡絲技術(shù)用于空氣過(guò)濾材料的制備，基于近年來(lái)對(duì)靜電紡絲技術(shù)研究的迅速發(fā)展，其電紡產(chǎn)品用于過(guò)濾材料也受到了更多的關(guān)注[48]。

關(guān)于靜電紡絲材料用于過(guò)濾方面的研究以尼龍6[49]居多。Guibo[50]等使用尼龍6以甲酸為溶劑配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的溶液進(jìn)行電紡，結(jié)果表明，厚度為71 μm的尼龍6纖維膜對(duì)直徑為3 μm的微粒有很好的過(guò)濾性能，斷裂強(qiáng)度和拉伸率分別為(4.71±1.66) MPa和(69.97±9.97)%，而且進(jìn)一步的結(jié)果發(fā)現(xiàn)滲透率隨著膜厚度的增加而減少，在(72.9±1.04) μm下通氣量維持在516 L/(m2·s)，對(duì)于粒徑為0.3 μm的微粒的過(guò)濾效率達(dá)到99.98%，高效的滿足了過(guò)濾的需求。Zhang等[37]以尼龍6為原料制備直徑范圍為50～150 nm的超細(xì)納米纖維膜，為高效空氣過(guò)濾器的應(yīng)用提供了潛在的可能性。

除此之外，大家對(duì)其他靜電紡絲的材料用于空氣過(guò)濾進(jìn)行了廣泛的研究。Gopal等[51]利用靜電紡絲技術(shù)制備聚偏氟乙烯(PVDF)纖維膜，用于去除5～10 μm的聚苯乙烯顆粒，對(duì)膜沒(méi)有造成損害的情況下，其分離效率達(dá)到90%。Yun等[52]采用聚丙烯腈(PAN)制備了平均直徑在270～400 nm 范圍的電紡纖維膜，并測(cè)試了其對(duì)80 nm以下的NaCl顆粒的過(guò)濾效果。結(jié)果表明，和商業(yè)的聚烯烴和玻璃纖維過(guò)濾膜相比，電紡纖維過(guò)濾膜的直徑更為均勻，較少質(zhì)量的電紡纖維膜就對(duì)納米顆粒有較好的阻攔效果，纖維膜厚度增加，阻攔效果變好，進(jìn)一步證明了電紡纖維膜是一種很有前途的過(guò)濾膜材料。劉東等[53]采用靜電紡絲技術(shù)制備高比表面積聚砜(PSU)預(yù)過(guò)濾膜，可作為超濾膜和納濾膜的預(yù)過(guò)濾膜。

2.5　靜電紡復(fù)合功能性空氣過(guò)濾材料的研究

靜電紡絲的特殊工藝本身存在一定問(wèn)題，由它制造的膜的纖維之間是由彼此黏連而成，與其他方法制備的過(guò)濾材料相比，其機(jī)械性能較差，因此，電紡纖維膜在實(shí)際應(yīng)用中需要額外的支架提供機(jī)械強(qiáng)度。如今電紡纖維膜在空氣過(guò)濾系統(tǒng)中的應(yīng)用是基于混合復(fù)合系統(tǒng)[54-55]，主要是將納米纖維放置在商業(yè)空氣過(guò)濾器表面，或者做成“三明治”夾層結(jié)構(gòu)，又或者是不同材質(zhì)的粗細(xì)纖維交織以及多層纖維復(fù)合。靜電紡復(fù)合功能性空氣過(guò)濾膜材料可根據(jù)需求改善膜的力學(xué)性能、自清潔性、抗菌性能和抗靜電性能。

朱志高[56]以聚丙烯腈(PAN)為原料，通過(guò)引入聚氨酯(PU)對(duì)纖維膜力學(xué)性能進(jìn)行改性，使得PAN/PU纖維之間產(chǎn)生黏連，從而大大提高了過(guò)濾膜的力學(xué)性能和耐磨性能，而且進(jìn)一步自合成了一種含氟聚氨酯(FPU)，通過(guò)調(diào)整FPU的濃度對(duì)纖維的表面進(jìn)行修飾，制備出了具有優(yōu)異的防水防油性能的超雙疏性PAN/PU復(fù)合纖維微孔膜，當(dāng)纖維膜克重約為24 g/m2左右、空氣流量為32 L/min時(shí)，300～500 nm尺寸范圍內(nèi)的氯化鈉和油性氣溶膠顆粒的過(guò)濾效率分別達(dá)99.999%和99.980%，阻力壓降僅為116和117 Pa。程博聞等[57]采用靜電紡制備出納米級(jí)的聚己二酸己二醇酯纖維和駐極體熔噴非織造布與納米纖維復(fù)合膜，探討了駐極體熔噴非織造布與納米纖維復(fù)合膜的過(guò)濾性能，結(jié)果表明，在氣流速度為2.831 L/min時(shí)，該復(fù)合膜對(duì)粒徑在3 μm以上的粉塵，過(guò)濾效率高達(dá)99.9%。

王嬌娜等[58]以PP 無(wú)紡布為支撐層，采用靜電紡絲技術(shù)制備了聚醚砜(PES)微球/纖維低阻力復(fù)合空氣過(guò)濾膜，微球能夠增加纖維間的間隙， 同時(shí)對(duì)氣溶膠也有一定的攔截作用，且過(guò)濾效率均可達(dá)99.99%。萬(wàn)會(huì)高[59]采用靜電紡絲技術(shù)一步法制備出高表面粗糙度、高比表面積的PSU/TiO2混紡靜電紡纖維膜，而且混紡纖維膜的過(guò)濾效率可達(dá)99.97%、壓阻為45.3 Pa(空氣流量為30 L/min)，并且混紡纖維膜與水的接觸角為152°，提高了纖維膜的自清潔性能。

針對(duì)現(xiàn)行的“室內(nèi)空氣病毒污染”問(wèn)題，可以通過(guò)在靜電紡溶液中加入銀來(lái)制備具有抗菌性能的高性能空氣過(guò)濾復(fù)合材料。Chaudhary等[60]將抗菌劑硝酸銀(AgNO3)與聚丙烯腈(PAN)溶液混合電紡，復(fù)合納米纖維的抗菌性通過(guò)對(duì)抗革蘭氏陽(yáng)性葡萄球菌和革蘭氏陰性大腸桿菌微生物驗(yàn)證。結(jié)果證明PAN-silver復(fù)合納米纖維過(guò)濾器能夠防止過(guò)濾介質(zhì)上微生物的增長(zhǎng)，對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌顯示了良好的抗菌活性，而且對(duì)于灰塵和微生物具有良好的過(guò)濾能力，尤其有助于醫(yī)院這種高幾率細(xì)菌感染場(chǎng)所空氣的凈化。姚春梅[41]選用可降解的PLA與硝酸銀混合溶液進(jìn)行靜電紡絲并與PLA非織造布進(jìn)行復(fù)合，制備復(fù)合過(guò)濾材料，既提高納米纖維膜的強(qiáng)度和過(guò)濾膜的抗菌性能，又可以提高普通過(guò)濾材料的過(guò)濾性能。

電紡聚合物納米纖維可對(duì)表面進(jìn)行靜電處理[61]，在不增加壓降的情況下，依靠靜電吸引的能力進(jìn)一步提高過(guò)濾效率；也可以在紡絲過(guò)程中加入碳納米材料或者納米金屬粉體，從而使制備的纖維本身具有導(dǎo)電性，其中，納米碳管屬于一種優(yōu)良的導(dǎo)電體，可以將其作為功能添加劑，均勻穩(wěn)定的分散在紡絲液中，進(jìn)而制備具有良好導(dǎo)電性或者抗靜電性的納米纖維材料。

3　電紡纖維膜在空氣過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用

電紡纖維膜在很多領(lǐng)域如高效空氣過(guò)濾器[62]、防護(hù)紡織品[63]、傳感器[64]、高級(jí)復(fù)合材料[65]、創(chuàng)傷包敷、膜分離[66]和組織工程支架等都存在潛在的應(yīng)用前景。近幾年電紡膜以高孔隙度，孔徑在幾十納米到幾個(gè)微米，連通孔結(jié)構(gòu)、高滲透和大比表面積等優(yōu)越性能在作為空氣過(guò)濾膜材料方面得到了廣泛的研究。已經(jīng)成功開發(fā)高性能空氣過(guò)濾器，有望首次商業(yè)化應(yīng)用。

3.1　工業(yè)粉塵過(guò)濾

目前空氣污染的主要?dú)w因于工業(yè)污染源排放的固體顆粒，主要包括工業(yè)生產(chǎn)中由于物料的粉碎、篩分、堆放、轉(zhuǎn)運(yùn)或者其他機(jī)械處理產(chǎn)生的固體微粒以及由于燃燒、熔融、蒸發(fā)、升華、冷凝等過(guò)程形成的固態(tài)或者液態(tài)懸浮微粒等[67]。研究表明，動(dòng)力學(xué)尺度直徑大于10 μm的顆粒被鼻毛阻止于鼻腔；約90%的2～10 μm的微粒能夠沉積于呼吸道的各個(gè)部位，被纖毛阻擋可部分排出體外，10%的可以到達(dá)肺的深處并沉積于其中；小于2.0 μm的微粒能夠100%的直達(dá)肺中，其中0.2～2.0 μm的粒子在肺部幾乎全部不能呼出，小于0.2 μm的微?？刹糠趾舫鲶w外[68]。 因此，降低空氣中粉塵含量，從根源上切除粉塵顆粒的來(lái)源成為了一種行之有效的方法。

傳統(tǒng)過(guò)濾材料的過(guò)濾過(guò)程是主要在材料內(nèi)部發(fā)生，過(guò)濾元件很容易被聚集在內(nèi)部的粉塵顆粒阻塞，并且很難清理干凈，積累到一定程度會(huì)使過(guò)濾元件的風(fēng)阻急劇上升，降低除塵系統(tǒng)的氣流量。電紡纖維膜可用于過(guò)濾介質(zhì)的表面過(guò)濾，聚集在納米纖維膜表面的粉塵很容易被清除，而且在每次清洗之后，壓降均能恢復(fù)到初始時(shí)的狀態(tài)，大大延長(zhǎng)了使用壽命。

3.2　室內(nèi)空氣過(guò)濾

室內(nèi)空氣污染是另一個(gè)重要的環(huán)境問(wèn)題，而且人們每天很大一部分時(shí)間待在室內(nèi)環(huán)境中，在這些封閉的建筑物中散發(fā)的污染物給人體健康帶來(lái)了很大的安全隱患，最常見的有“病態(tài)樓宇綜合癥”?？諝膺^(guò)濾器是為小區(qū)住宅、工作辦公室及醫(yī)院提供安全和清新的環(huán)境的基本設(shè)備，尤其能夠防止醫(yī)院里的病毒和細(xì)菌的擴(kuò)散。因此，室內(nèi)空氣凈化器的性能備受關(guān)注，其核心部件過(guò)濾材料也成為了研究熱點(diǎn)。電紡纖維膜不僅具有比表面積大、孔隙率高、孔徑小以及低壓阻等優(yōu)點(diǎn)，易與AgNO3復(fù)合增加過(guò)濾膜的抗菌性能，此外還易復(fù)合、TiO2、ZnO等納米顆粒，既能提供極高的過(guò)濾效率，又可以利用TiO2、ZnO等納米粒子的光催化特性將室內(nèi)新建材(涂料、油漆、木材等)和粘接劑等產(chǎn)生的HCHO、吸煙所產(chǎn)生的CH3CHO及家庭灰塵產(chǎn)生的CH3SH等有機(jī)臭味在紫外光照射下分解除去。

3.3　車用空氣過(guò)濾

空氣濾清器是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，其主要作用是阻止空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入氣缸，進(jìn)而保證汽缸的空氣質(zhì)量，避免發(fā)生堵塞，造成燃料浪費(fèi)。目前，最廣泛的車用空氣濾清器的濾料是采用經(jīng)樹脂處理的微孔濾紙，雖然具有一定的過(guò)濾效率，但其在使用過(guò)程中極易發(fā)生堵塞，需頻繁保養(yǎng)和更換空氣濾芯。因此，靜電紡納米纖維膜材料作為一種集高過(guò)濾效率與低空氣阻力于一身的新型過(guò)濾材料，勢(shì)必在汽車空氣濾清器中有著很大的應(yīng)用價(jià)值。

除此之外，對(duì)于封閉的操作空間，工作人員遭受空氣中的污染物成為了一個(gè)重要的問(wèn)題，如采礦工作中的機(jī)械設(shè)備艙，飛機(jī)的客艙等，采用高效的過(guò)濾介質(zhì)降低機(jī)艙灰塵濃度，為在這些區(qū)域工作的人們提供一個(gè)相對(duì)安全的環(huán)境也有極大必要。美國(guó)專利[69]公開了一種方法制造載體材料層與納米纖維無(wú)紡布層復(fù)合的粉塵過(guò)濾袋，對(duì)于墨盒吸塵和機(jī)艙空氣過(guò)濾的應(yīng)用提供了可能。

3.4　口罩

隨著城市化以及工業(yè)化的發(fā)展，PM2.5顆粒的空氣污染以及SARS、H1N1、H7N9等各種流感病毒的侵襲，高性能的口罩成為了一件必備的防護(hù)工具。目前，熔噴非織造材料因其獨(dú)特的三維孔徑結(jié)構(gòu)，成為了口罩的常見濾料，其平均孔徑因生產(chǎn)工藝的不同略有差別，一般約為1～5 μm[70]，而對(duì)于PM2.5和病毒(SARS病毒的直徑為0.045 μm，乙型肝炎病毒的直徑為0.05 μm)而言，熔噴過(guò)濾材料的孔徑偏大，不能達(dá)到很好的過(guò)濾效果。靜電紡納米纖維的直徑通常為0.04～2.00 μm，孔徑小，曲折連通孔結(jié)構(gòu)，透氣性好，因此非常適合應(yīng)用于口罩濾料。劉萬(wàn)軍[71]研究了納米纖維的直徑、厚度和不同的熔噴材料對(duì)熔噴-靜電紡-熔噴(MEM)納米復(fù)合非織造材料過(guò)濾性能的影響，通過(guò)復(fù)合一層0.029～0.116 μm的納米纖維膜，熔噴材料的過(guò)濾效率提高到99.429%以上，能夠有效攔截空氣中的PM2.5和病毒等微小有害粒子，可應(yīng)用于高性能防護(hù)口罩。

4　結(jié)語(yǔ)

電紡納米纖維具有高孔隙率、大比表面積和小直徑等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在空氣過(guò)濾材料領(lǐng)域引起了人們?cè)絹?lái)越多的的關(guān)注，對(duì)靜電紡絲過(guò)濾膜進(jìn)行深入的基礎(chǔ)和實(shí)用性研究，使其有望商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。目前有多種原材料可以直接用于靜電紡過(guò)濾材料，其膜力學(xué)性能的改善可依托于復(fù)合膜過(guò)濾材料的研究，而且具有自清潔性和抗菌性能等的功能型的復(fù)合過(guò)濾材料的研究也勢(shì)在必行。

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