王玉偉，肖潤祥，張宏凱，官文瑾，鄧亞峰*

（北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 10048）

0 前言

由于大量化石能源的消耗，空氣污染已經(jīng)成為全球性的公共衛(wèi)生問題?？諝庵械臍馊苣z顆粒物（PM），尤其是空氣動力學(xué)直徑小于2.5 μm（PM2.5）的顆粒物，在被吸入人體細(xì)支氣管和肺泡后，其攜帶的有毒有機物和重金屬元素可以穿透肺泡進(jìn)入血液，對人體健康產(chǎn)生很大的威脅［1］。世界衛(wèi)生組織（WHO）通過對大氣污染造成的疾病評價，表明每年因室外PM2.5污染導(dǎo)致死亡的人數(shù)超過32萬［2］。相關(guān)的研究報告也表明75%的慢性病與空氣污染物有關(guān)［3］。PM2.5顆粒物濃度過高還能降低環(huán)境的能見度，給人們的生產(chǎn)、生活帶來極大不便［4］。烹飪產(chǎn)生的油煙主要成分是固、液態(tài)顆粒物及揮發(fā)性有機物［5］，已經(jīng)成為強霾污染的第三大元兇［6-7］。因此，開發(fā)高效空氣過濾材料已經(jīng)成為保護(hù)人類健康的重要途徑。

傳統(tǒng)空氣過濾技術(shù)的核心介質(zhì)包括熔噴纖維、玻璃纖維和普通非織造材料［8-10］，但對于粒徑小于2.5 μm的顆粒物過濾效果有限。納米材料具有比表面積大、孔隙率高、纖維直徑細(xì)等特點［11］，可有效地解決傳統(tǒng)濾材攔截效率低、結(jié)構(gòu)單一等問題，成為過濾領(lǐng)域的研究熱點［12-13］。本文綜述了不同結(jié)構(gòu)的納米纖維基空氣過濾材料、靜電紡絲制備工藝的和其他制備工藝，介紹了納米纖維基空氣過濾材料的應(yīng)用領(lǐng)域，最后對空氣過濾技術(shù)未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 空氣過濾材料的過濾機制

對于空氣過濾應(yīng)用而言，纖維基過濾材料具有工業(yè)自動化加工程度高、纖維膜所構(gòu)筑的微納米孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)控、多層功能差異性的不同尺度纖維層可進(jìn)行復(fù)合和產(chǎn)量大等優(yōu)勢，具有廣闊的市場應(yīng)用前景?？諝膺^濾是在力和過濾材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（纖維直徑、孔徑、堆積密度、纖維材質(zhì)）共同作用下除去空氣中的顆粒物的過程，過濾的過程允許空氣順利通過［14-15］。當(dāng)氣流通過過濾材料時，過濾材料會攔截顆粒物通過，也會在過濾材料兩端形成過濾阻力［16-17］。過濾效率與過濾阻力是負(fù)相關(guān)的關(guān)系［18］。因此，有必要從過濾機理出發(fā)，研究顆粒物通過過濾介質(zhì)的過程以優(yōu)化過濾效率和過濾阻力之間的關(guān)系。

纖維基空氣過濾材料的過濾效果與纖維的材質(zhì)、單根纖維的過濾效果、纖維幾何形狀、纖維過濾器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)，如圖1所示，對纖維材料的基本要求是纖維直徑及孔徑可控，其結(jié)構(gòu)存在二維方向的各向異性［19］?？諝膺^濾材料對不同粒徑顆粒物的作用大小分為：物理攔截、重力沉積、慣性效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)和靜電效應(yīng)［20］。表1所示為各種過濾機理的主要捕集范圍和影響因素。

表1 各種過濾機理的主要捕集范圍和影響因素Tab.1 Main capture ranges and influencing factors for various filtering mechanisms

圖1 纖維基空氣過濾材料的過濾示意圖Fig.1 Schematic filtration diagram of the fiber-based air filtration material

（1）物理攔截

氣流將沿其方向運動的顆粒物帶至纖維表面，當(dāng)顆粒物的粒徑與纖維材料的搭接孔徑相當(dāng)時，顆粒物會被纖維材料攔截并完成物理篩分截留過程［21］，一般而言，物理攔截在過濾中占主導(dǎo)作用。當(dāng)較多顆粒物被攔截到纖維材料上時，纖維材料的搭接孔徑會變小，從而提高了材料的過濾效率［22］。

（2）重力沉積

當(dāng)顆粒物粒徑大于0.5 μm且空氣流速較低時，顆粒物會因重力作用產(chǎn)生偏移氣流流動方向的現(xiàn)象，最終沉淀于過濾材料表面［23］。當(dāng)粒徑小于0.5 μm時，顆粒污染物不能沉淀到纖維材料上，重力沉積效果可以忽略。

（3）慣性效應(yīng)

纖維過濾材料具有復(fù)雜的曲徑結(jié)構(gòu)，這會導(dǎo)致氣流在通過過濾材料時會發(fā)生較大的方向改變。此時大質(zhì)量的顆粒物因自身慣性無法隨著氣流改變運動方向并繞過過濾材料，最終與纖維材料產(chǎn)生碰撞并被攔截在纖維表面［24-25］。

（4）擴(kuò)散效應(yīng)

顆粒物的粒徑對擴(kuò)散效應(yīng)有明顯的作用，粒徑越小受擴(kuò)散效應(yīng)作用越明顯［26］。當(dāng)顆粒物粒徑較小時（小于0.3 μm），粒子將在過濾材料中隨機做不規(guī)則布朗運動，部分顆粒物會改變原有的運動軌跡，并在范德華力的作用下被纖維截留。此時，隨著粒徑尺寸的減小，微粒與纖維表面的接觸概率增大，因此擴(kuò)散在纖維表面的微粒沉積量增大［27］。顆粒粒徑小、氣流流速低、環(huán)境溫度高會加劇布朗運動，顆粒物被纖維過濾的概率也越大。

（5）靜電效應(yīng)

過濾材料表面發(fā)生極化時會產(chǎn)生靜電場，此時中性粒子通過纖維過濾材料時在庫侖力的作用下被吸附載纖維材料表面［28］?？諝庵械念w粒物由于摩擦和電離作用也會帶有少量電荷，這也能提高過濾效率。靜電效應(yīng)除了能改變顆粒物的運動軌跡而被纖維材料捕捉外，也能使顆粒物更牢固地粘附在過濾材料表面。過濾材料在外電場和摩擦作用下會產(chǎn)生靜電場，目前，使用最多的方式是采用后處理的工藝方式，使纖維表面或內(nèi)部帶電荷，使其在提高過濾效率的同時過濾阻力基本沒有提升［29］。

對于空氣過濾材料，靜電效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)和物理攔截3種過濾機制對提高過濾效率起到了關(guān)鍵作用［30］。纖維基空氣過濾材料對顆粒物的過濾是以上5種過濾方式“協(xié)同效應(yīng)”的結(jié)果。本文主要介紹了靜電紡納米纖維基空氣過濾材料和其他納米纖維基空氣過濾材料的最新研究進(jìn)展，以期為空氣過濾材料的理論研究和工業(yè)生產(chǎn)提供借鑒與參考。

2 納米纖維基空氣過濾材料

高分子聚合物相比于天然高聚物種類更為繁多，將高分子聚合物應(yīng)用于空氣過濾材料可滿足更多領(lǐng)域的需求，并且可以滿足人們對過濾材料力學(xué)性能和多功能性的期望。

2.1 靜電紡絲納米纖維基空氣過濾材料的結(jié)構(gòu)

靜電紡絲是指聚合物溶液受到的電場力大于溶液的表面張力時，牽伸形成細(xì)絲再不斷沉積固化形成納米纖維的方法［31］。該項技術(shù)分為無針靜電紡絲技術(shù)［32］、單針頭技術(shù)［33］和多針頭技術(shù)［34］，近些年，科研人員運用靜電紡絲技術(shù)制備了大量不同結(jié)構(gòu)、不同功能的高分子納米纖維基材料，如聚偏氟乙烯（PVDF）［35］、二氧化硅［36］等，這些材料具有直徑小、孔隙率高、堆積密度可控等特點，可實現(xiàn)超微細(xì)顆粒物的過濾。

2.1.1 樹狀結(jié)構(gòu)

樹狀結(jié)構(gòu)的納米纖維材料是由樹干纖維及其分支纖維、粗樹干纖維作為骨架，通過射流在靜電紡絲過程中獲得特殊結(jié)構(gòu)的纖維材料，可以有效地提高力學(xué)性能、減少孔隙尺寸，從而增大纖維與顆粒物的接觸以提高過濾效率。LI等［25］制備了具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的ZnO納米纖維直徑約為137 nm，如圖2所示，結(jié)果表明具有樹枝狀結(jié)構(gòu)的ZnO具有較好的光催化活性。ZHANG等［38］結(jié)合了樹狀結(jié)構(gòu)和天然材料的優(yōu)點，脫乙?；幚砗笾苽涞臉錉罴{米纖維膜具有優(yōu)良的親水性、良好的力學(xué)性能、良好的抗溶劑性和較高的空氣過濾效率，空氣過濾效率可達(dá)到98.37%。CHENG等［39］通過靜電紡絲聚（偏氟乙烯）-接枝聚（丙烯酸）（PVDF-g-PAA），成功制備了具有pH響應(yīng)性的智能樹狀納米纖維膜。KABG等［40］通過靜電紡絲法，將四丁基氯化銨（TBAC）和硝酸銀加入到紡絲溶液中，制備了聚酰胺6/Ag樹狀納米纖維膜，并對其力學(xué)性能、孔徑分布和親水性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明樹狀結(jié)構(gòu)有效地提高了膜的力學(xué)性能和親水性，同時保證了較高的比表面積和較小的孔徑，抗菌性能也很優(yōu)越。LI等［41］通過在PVDF溶液中加入一定量的鹽，采用一步靜電紡絲法制備了PVDF樹狀納米纖維，制備過程中研究了鹽類型、鹽含量和加工參數(shù)對樹狀分枝含量的影響，結(jié)果表明，PVDF/四丁基氯化銨（TBAC）樹狀納米纖維具有更好的結(jié)晶度和力學(xué)性能，樹狀結(jié)構(gòu)有效減小平均孔徑和對有機溶劑的抵抗力，可使其成為膜分離的潛在候選材料。

圖2 樹枝狀結(jié)構(gòu)復(fù)合納米纖維在不同溫度退火后的直徑變化Fig.2 Diameter changes of dendritic composite nanofibers after annealing at different temperatures

2.1.2 卷曲結(jié)構(gòu)

卷曲結(jié)構(gòu)的納米纖維制備是一種仿生策略，制備過程中通過控制射流飛行過程中水和溶劑分子之間的交換速率，實現(xiàn)納米纖維的自卷曲，同時通過原位增強雙系統(tǒng)（偶極子和空間）極化電荷，顯著增強了納米纖維的駐極體特性。使卷曲結(jié)構(gòu)的納米纖維材料具有高孔隙率、優(yōu)良的力學(xué)性能和超高表面電位的綜合性能，使其成為一種高效、低電阻的過濾介質(zhì)。圖3描述納米纖維卷曲概念的示意圖［42］，針對3種不同的相對濕度條件，運用靜電紡絲技術(shù)制備了3種不同的納米纖維結(jié)構(gòu)：（1）具有珠狀結(jié)構(gòu)的緊湊型納米纖維膜；（2）由直線納米纖維構(gòu)成的納米纖維膜；（3）類羊毛結(jié)構(gòu)的納米纖維膜。

圖3 卷曲結(jié)構(gòu)的納米纖維示意圖Fig.3 Schematic diagram of nanofibers with a curly structure

2.1.3 復(fù)合結(jié)構(gòu)

多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的纖維材料能實現(xiàn)對不同粒徑的顆粒物的有效過濾，同時也能避免壓降大的結(jié)構(gòu)缺陷。通過優(yōu)化紡絲液和紡絲工藝的相關(guān)參數(shù)可以實現(xiàn)纖維材料的多層堆疊，進(jìn)而實現(xiàn)空氣過濾材料的功能性。錢曉明的研究成果表明，聚丙烯腈納米纖維/皮芯型聚乙烯-聚丙烯 （PAN/PE-PP）多層復(fù)合過濾材料對PM0.3的過濾效率會隨層數(shù)的增加而增大［43］。CAI等［44］采用高聚物的“三明治”結(jié)構(gòu)制備了納米復(fù)合駐極過濾器，通過對復(fù)合結(jié)構(gòu)過濾材料的結(jié)構(gòu)、駐極性能等參數(shù)的優(yōu)化，對過濾性能進(jìn)行了評價。林芳兵也采用靜電紡絲技術(shù)制備了力學(xué)性能和過濾性能皆佳的聚丙烯（PP）/聚酰胺-6PA-6（）/PP“三明治”結(jié)構(gòu)復(fù)合膜材料，拉伸斷裂強度和斷裂伸長率分別達(dá)到5.83 MPa和78.67%，對空氣中顆粒物的過濾效率達(dá)到99.19%［45］。吳婷等［46］采用共溶劑靜電紡絲技術(shù)，通過調(diào)控聚酯（PET）和醋酸纖維素（CA）共混質(zhì)量比，制備了根須狀蓬松納米纖維復(fù)合膜，具有孔隙率大（93.85%±0.23%）、堆積密度大［（0.023±0.001）］g/m3、水接觸角大（154.0 °±0.5 °），對烹飪油煙的過濾效率>91%。花月［47］應(yīng)用靜電紡絲法，以PVDF、十四烷基三甲基氯化銨（TTAC）和有機硅季銨鹽改性二氧化硅（S@SiO2）為紡絲原料，制備了多尺度孔徑分級復(fù)合納米纖維膜（如圖4所示），對空氣中超細(xì)顆粒物的過濾性能非常優(yōu)異（PM0.3>99.97%、品質(zhì)因子約0.130 Pa-1）。

圖4 PVDF-S@SiO2/PVDF/PVDF-TTAC復(fù)合纖維膜的制備工藝Fig.4 Preparation process of PVDF-S@SiO2/PVDF/PVDF-TTAC composite fiber membrane

2.1.4 特殊結(jié)構(gòu)

通過溶液刻蝕、誘導(dǎo)相分離、濕度控制等技術(shù)可以制備出粗糙、褶皺、多孔、空腔等特殊結(jié)構(gòu)的靜電紡絲纖維材料。高小超等人對絲素蛋白（SF）納米纖維膜進(jìn)行溶液刻蝕后在表面形成了“鱗片”和“尖刺”型納米粗糙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對PM2.5的過濾效率能達(dá)到99.99%，相對于光滑的SF納米纖維膜，空氣阻力則大幅降至360 Pa［48］。XIE等［49］以PAN為基材，采用靜電紡絲法和誘導(dǎo)相分離工藝，成功制備具有特殊褶皺多孔結(jié)構(gòu)的納米纖維基空氣過濾材料，通過降低顆粒物的布朗運動來減少反射和逃逸，從而增強了纖維對顆粒物的攔截和慣性效應(yīng)，實驗表面室溫下對PM0.3去除效率為99.99%，但壓降僅為43.35 Pa。ZHAO等［50］在PA-6里面嵌入20 μm左右芳綸短纖，制備了具有空腔結(jié)構(gòu)的蛛網(wǎng)纖維基空氣過濾材料。空腔結(jié)構(gòu)能有效地降低空氣過濾時的壓降，但復(fù)雜的工藝使其生產(chǎn)成本較高，制備工藝不成熟也導(dǎo)致空腔大小不均勻，使過濾效率偏低。

2.1.5 蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)

蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的納米纖維基材料是通過靜電紡-噴技術(shù)獲得的二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米纖維，2006年由東華大學(xué)的丁彬教授首次發(fā)現(xiàn)。制備納米級的蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)空氣過濾材料，可通過調(diào)節(jié)泰勒錐尖端的不穩(wěn)定性和帶電液滴的相分離程度實現(xiàn)。納米蛛網(wǎng)纖維膜具有的孔徑?。?00～500 nm）、孔隙率高的特點能有效地提高材料的過濾性能。ZHANG等［50］將靜電紡絲/網(wǎng)狀技術(shù)與接收基板設(shè)計相結(jié)合，制備了波紋狀PA-6納米纖維基蛛網(wǎng)狀過濾器，實驗表明，對超細(xì)顆粒的去除效率高達(dá)99.996%，而空氣阻力則低至95 Pa。該團(tuán)隊在連續(xù)拉伸變形條件下制備了聚間苯二甲酰間苯二胺/聚氨酯納米纖維基蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的纖維膜，如圖5所示，其抗拉強度高達(dá)41.3 MPa，并且具有良好的回復(fù)性［51］。ZUO等［52］制備的高彈性的PU蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)纖維基空氣過濾材料的具有良好機械性能和過濾性能，但致密的堆積狀態(tài)無法有效將壓降降低到120 Pa以下。竇綠葉以可再生的纖維素納米纖維（CNF）溶液作為分散劑，利用CNF與SiO2納米纖維間的氫鍵作用實現(xiàn)了SiO2纖維的均勻分散，制備得到了蜂巢胞腔-雙纖維網(wǎng)絡(luò)腔壁結(jié)構(gòu)的SiO2/C蛛網(wǎng)復(fù)合纖維氣凝膠［53］。

圖5 連續(xù)拉伸變形條件下分層納米纖維基蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化示意圖Fig.5 Schematic description of the changes of the hierarchical nanofiber/net structures under continuous tensile deformation

2.2 靜電紡絲納米纖維基空氣過濾材料的制備

靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維基空氣過濾材料的方法主要有：有針靜電紡絲、同軸靜電紡絲和無針靜電紡絲等。

2.2.1 有針靜電紡絲

有針靜電紡絲工藝較為成熟，研究人員已經(jīng)可以使許多聚合物順利成纖維，并制備出許多功能性纖維材料［54］。有針靜電紡絲技術(shù)分為單針靜電紡絲和多針靜電紡絲。單針靜電紡絲裝置包括高壓靜電電源、供給裝置和接收裝置，可直接將生物活性分子與聚合物溶液混合，獲得功能性納米纖維膜［55］。隨著靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展，許多研究人員又研制出了多針靜電紡絲技術(shù)，多個噴嘴同時從噴頭噴射紡絲液，有效提高了納米纖維膜的產(chǎn)量［56-57］。郭文利等［58］通過有限元分析工具COMSOL Multiphysics對多針電紡噴頭的工作電場進(jìn)行建模仿真分析，提出了設(shè)置不同針頭間距、不等針長和不同直徑屏蔽環(huán)3種措施改善電磁分布，為實現(xiàn)多針頭靜電紡絲過程的高效穩(wěn)定提供了理論支持。麥仁標(biāo)［59］分析了多針靜電紡絲裝置的功能需求，通過有限元分析工具COMSOL Multiphysics研究了多射流靜電紡絲針尖電場出現(xiàn) 的邊緣現(xiàn)象，并制備了聚環(huán)氧乙烷（PEO）/膠原蛋白肽新型納米纖維面膜，當(dāng)使用紡絲液為20%膠原蛋白肽溶液，紡絲電壓為30 kV，收集距離為19 cm，供液速度為130 mL/h的工藝條件下面膜微觀形貌最優(yōu)。

2.2.2 同軸靜電紡絲

同軸靜電紡絲裝置的溶液分裝在不同注射器中，并在紡絲噴頭處形成復(fù)合“泰勒錐”，通過牽引形成核殼結(jié)構(gòu)噴射細(xì)流，溶液低擴(kuò)散系數(shù)保證核層和殼層不發(fā)生混合，最終獲得中空纖維［60］。黃艷茹等［61］制備了以牛至精油（OEO）為芯層抗菌劑、普魯蘭多糖（Pul）為芯層成膜基材、熱塑性聚氨酯（TPU）為殼層的同軸靜電紡絲薄膜，蒸氣阻隔性能和潤濕性改善，薄膜的熱穩(wěn)定性、拉伸強度、溶脹度顯著降低，綠色包裝材料提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。朱雅婷等［62］通過同軸靜電紡絲技術(shù)制備具有核殼結(jié)構(gòu)的美藤果油（SIO）/聚乙烯醇（PVA）納米纖維膜，SIO的加入并在最佳紡絲條件（PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，施加電壓為22 kV，接收距離為16 cm，核殼流速比為0.1 mL/h∶1.4 mL/h）下制備的納米纖維膜拉伸強度提高了2.51倍，水接觸角減小了14.04 °，抗氧化活性提高了2.6倍。

2.2.3 無針靜電紡絲

無針靜電紡絲技術(shù)能克服有針靜電紡絲噴頭容易堵塞、電場分布不均等缺點，紡絲溶液無須毛細(xì)作用力就能在液體表面自由生成，實現(xiàn)量產(chǎn)［63］。但無針靜電紡絲也存在穩(wěn)定性差，難以獲得連續(xù)長纖維的缺點，克服這些不足是重要的研究方向。時志文尼龍聚酰胺66（PA66）作為紡絲原料，基于無針靜電紡絲設(shè)備制備PA66納米纖維過濾膜平均直徑為106.82 nm，變異系數(shù)值為18.50%，最佳電紡參數(shù)為PA66濃度10%、紡絲電壓80 kV、接收距離23.5 cm［64］。劉延波等［65］采用COMSOL Multiphysics有限元模擬軟件對無針頭式靜電紡絲過程中場強大小和分布規(guī)律進(jìn)行仿真，研究表明螺線式無針頭線圈的長度、螺距、半徑以及金屬絲的半徑與電場強度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3 其他納米纖維基空氣過濾材料

除靜電紡絲技術(shù)外，超臨界干燥、懸浮干燥、相分離等工藝也能制備不同的納米纖維基空氣過濾材料。

2.3.1 超臨界干燥法

超臨界干燥法是通過壓力和溫度的控制，使溶劑在干燥過程中達(dá)到其本身的臨界點，完成液相至氣相的超臨界轉(zhuǎn)變。過程中溶劑無明顯表面張力，在維持骨架結(jié)構(gòu)的前提下完成濕凝膠向氣凝膠的轉(zhuǎn)變。

KIM等采用熱可逆凝膠法和超臨界干燥法制備的聚苯乙烯（sPS）和sPS/PVDF混合單片氣凝膠具有良好的透氣性。圖6所示為納米NaCl顆粒在氣流速度為0.5 m/s和靜態(tài)表面電荷條件下的過濾效率曲線圖，實驗表明，該氣凝膠對空氣中納米NaCl顆粒的過濾效率高達(dá)99.99%［66］。DANIEL等［67］研究了超臨界CO2萃取溫度對間規(guī)PS氣凝膠的形態(tài)、孔隙率和晶體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，根據(jù)提取溫度的不同，可以獲得以原纖維形態(tài)為特征的高孔隙率氣凝膠。

圖6 0.5 m/s氣流速度和靜態(tài)表面電荷條件下納米NaCl顆粒的過濾效率Fig.6 Filtration effiffifficiency of nanometric NaCl particles at Vf≈0.5 m/s and static surface charges

2.3.2 懸浮干燥法

YI等［68］采用3種納米纖維懸浮干燥技術(shù)（噴霧空氣干燥、噴霧冷凍干燥和容器負(fù)荷冷凍干燥）在不同孔隙度的PP非織造布上制備了聚（乙烯醇-乙烯基）（PVA-co-PE）納米纖維基氣凝膠。納米纖維層的孔隙率從76.6%增加到97.3%，孔徑從0.493 μm增加到2.268 μm，納米纖維層的厚度從10 μm增加到55.3 μm。該過濾介質(zhì)為捕獲空氣中的納米顆粒提供了大量的扭曲通道，促進(jìn)了氣流的穿透，表現(xiàn)出穩(wěn)定的過濾性能。NEMTOT等［69］采用冷凍干燥技術(shù)制備高性能空氣過濾器組分的氧化纖維素納米纖維（TOCN）氣凝膠，并研究了TOCN在水/叔丁醇（TBA）混合物中的分散性和比表面積，當(dāng)TBA含量在20%～50%時，氣凝膠的比表面積超過300 m2/g，并且表現(xiàn)出了優(yōu)良的過濾性能，這是因為較大比表面積能形成納米級蜘蛛網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

2.3.3 相分離法

QIAO等［70］運用相分離將PVDF引入到交聯(lián)聚酰亞胺（PI） 的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，制備的混合氣凝膠具有良好的疏水性，接觸角高達(dá)146°，吸水率低至2.2%?？煽氐目紫督Y(jié)構(gòu)顯著提高了空氣的滲透性，且納米顆粒在空氣中的過濾效率仍可達(dá)到較高水平（>99.8%）。張欣雨等［71］利用溶劑相分離法制備了表面具有平行溝槽結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)的聚乳酸納米纖維，隨著高揮發(fā)性溶劑占比的增加，纖維表面呈現(xiàn)出光滑-溝槽-多孔結(jié)構(gòu)的變化趨勢，而轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速可以調(diào)控纖維的排列狀態(tài)。王獻(xiàn)德等［72］運用非溶劑致相分離法制備PVDF中空纖維膜，并研究了PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)與纖維膜的強度、拉伸伸長率、膜外表面孔數(shù)、膜絲孔徑等參數(shù)之間的關(guān)系，研究表明PVDF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%為最優(yōu)方案。

3 納米纖維基材料在空氣過濾領(lǐng)域的應(yīng)用

空氣污染、2019年爆發(fā)的新冠疫情和2023年多次影響中國的沙塵暴使個人呼吸防護(hù)用品需求激增。靜電紡絲納米纖維基材料具有直徑小和比面積大的優(yōu)勢使其成為個人呼吸防護(hù)用品的優(yōu)選。在傳統(tǒng)熔噴布上附著一層納米纖維制成的復(fù)合材料具有高效低阻的優(yōu)點，能有效提高過濾效率［73-75］；靜電紡絲工藝也可以制備可降解或可以重復(fù)使用的新型口罩［76-77］；抗菌殺菌也是納米纖維基空氣過濾材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域［78-79］。

大氣中的懸浮顆粒物是造成霧霾現(xiàn)象的主要原因，有效降低室內(nèi)PM2.5濃度是研究人員長期研究的課題，納米纖維基空氣過濾材料是研究人員的優(yōu)選材料。崔屹［80-81］通過改進(jìn)的靜電噴霧工藝制備的納米纖維對PM2.5的過濾效率達(dá)到90.6%，在此基礎(chǔ)上，崔屹將靜電紡納米纖維膜從粗糙的銅箔上快速轉(zhuǎn)移到接收網(wǎng)上，使PM2.5的過濾效率提高到了99.97%，但透光率不是特別理想。而胡寶繼［82］則是運用靜電紡絲技術(shù)制備的超細(xì)納米纖維時，在基質(zhì)中添加LiCl，使防霧霾紗窗兼具了抗紫外線功能。

此外，靜電紡絲工藝制備的納米纖維基空氣過濾材料在許多特殊場合也有應(yīng)用。楊杰等［83］和董亮亮等［84］利用靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維膜能耐200 ℃的高溫，適用于化工企業(yè)的尾氣處理。王道愛等［85］采用靜電紡絲制備新型醫(yī)用口罩，代替了傳統(tǒng)的熔噴材料，可以保持較高的表面電荷，適用于高濕度環(huán)境的呼吸防護(hù)。

4 結(jié)語

在全球工業(yè)化過程中，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必然伴隨嚴(yán)重的空氣污染問題，當(dāng)前全球新冠疫情并未完全結(jié)束，在此大背景下，性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)可控的空氣過濾材料將持續(xù)成為科學(xué)界的研究熱點。納米纖維由于直徑小、孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點使其成為該領(lǐng)域的重要研究方向。雖然納米纖維材料在環(huán)境治理方面取得了一些進(jìn)步，但依然存在一些尚待解決的問題。

（1）力學(xué)性能有待提高。力學(xué)性能和取向性差會導(dǎo)致納米纖維形態(tài)難以控制，為了提高納米纖維材料的力學(xué)性能，多數(shù)研究者是摻雜其他支撐材料并紡成篩網(wǎng)狀，這種制備方法雖然能在一定程度上提高了材料的力學(xué)性能，但也提高了制備工藝的復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本。如何提高納米纖維材料自身的力學(xué)性能并改善其復(fù)合材料的力學(xué)性能是今后的一個重要研究方向。

（2）過濾過程的模擬研究有待加強。過濾過程是復(fù)雜的多物理場耦合過程，涉及氣流、溫度、顆粒物、過濾介質(zhì)、介質(zhì)結(jié)構(gòu)等諸多因素，各個參數(shù)之間相互關(guān)系尚不清楚。目前已開發(fā)有ANSYS［86］、COMSOL［87］等軟件的流體流動、粒子追蹤、多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞等物理場接口可用于過濾過程的模擬，但使用費用高、計算量大也使其難以普及應(yīng)用。

（3）納米纖維基空氣過濾材料自身的環(huán)保需求。多功能性是理想空氣過濾材料的環(huán)保體現(xiàn)，在關(guān)注過濾效果研究的同時，讓過濾材料具有殺菌抗菌、可生物降解、使用壽命增加、可自清潔等功能也是非常有意義的研究方向。處理餐飲企業(yè)高溫油煙、過濾冷庫低溫空氣等特殊場合的應(yīng)用也值得研究人員關(guān)注［88-90］。