靜電紡絲法制備空氣過濾膜及應(yīng)用

梁幸幸，楊　穎，許德平

(1. 中國礦業(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)電機系，北京 100084；3. 清華大學(xué)電力系統(tǒng)重點實驗室，北京 100084)

目前，PM2.5與PM10帶來的危害已引起全世界的關(guān)注，而過濾是應(yīng)用最為廣泛的空氣凈化的方法，因此空氣過濾設(shè)備成為了研究熱點，其核心過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0.3 μm以上的微粒有較高的過濾效率，對亞微米微粒以及其他較小的病原體難以實現(xiàn)有效過濾[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)，具有很好的過濾性能，因此在空氣過濾方面得到了極大的關(guān)注[3]。

1　空氣過濾原理

1.1　空氣過濾理論的研究進展

過濾凈化技術(shù)理論的研究在20世紀(jì)迅速發(fā)展，相應(yīng)的過濾理論也逐漸建立，而空氣過濾器的發(fā)展只有短短20多年的歷史[4-5]。過濾理論最早起源于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)則的曲線運動的規(guī)律，即布朗運動[6]。在1922年， Freundlic[7]研究了對氣溶膠過濾規(guī)律的認識[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運用流體力學(xué)的理論對氣流通過單一的圓柱纖維運動規(guī)律進行了研究，并建立了Albrecht理論，隨后Sell在此基礎(chǔ)上對其進行了重要的改進[9]。1936年，Kaufmann率先把布朗運動和慣性沉淀這2個概念結(jié)合應(yīng)用到纖維的過濾理論中，推導(dǎo)出了過濾用的數(shù)學(xué)公式[10-13]。1942年，Langmuir對過濾理論繼續(xù)了進一步的研究，得出過濾可以當(dāng)作截留和擴散的綜合作用，而且可以忽略慣性粒子在其過濾纖維上的沉淀[14]。1952年，Davies相互結(jié)合截留、擴散和慣性沉淀3種機制，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]等對在較大雷諾數(shù)的情況下顆粒的慣性和擴散沉積以及包括重力效應(yīng)和過濾器阻塞的現(xiàn)象進行了研究和總結(jié)，發(fā)展了獨立纖維理論。1967年，Pickaar[17,19]和Clarenburg[20]在研究中致力于提出一個纖維過濾器微孔結(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濾理論的最新發(fā)展[21-22]。1992年P(guān)ayet等對氣體在單一纖維上的滑動進行了考慮，進而對經(jīng)典理論引入了修正系數(shù)，使得理論與實驗數(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，利用此理論和計算程序可預(yù)測顆粒的沉積[24-25]。2001年，Thomas等研究了過濾器在發(fā)生阻塞的情況時的空氣過濾理論與試驗，提出了過濾器在濾餅存在的情況下，過濾效率和壓力損失計算模型[26]。

1.2　空氣過濾機理

過濾過程分為2個階段，即穩(wěn)態(tài)過程和非穩(wěn)態(tài)過程。穩(wěn)態(tài)過濾理論基于2個基本假設(shè)：1)過濾材料對微粒的捕捉效率為1，即微粒一旦碰到纖維就被捕集；2)微粒一旦沉積，對過濾過程不會產(chǎn)生進一步影響。因此在此階段，捕捉效率和阻力與時間無關(guān)，由過濾材料的結(jié)構(gòu)、微粒的固有性質(zhì)和氣流大小決定。非穩(wěn)態(tài)過程十分復(fù)雜，目前對此尚無完善的理論研究成果。

經(jīng)典過濾理論一般建立在穩(wěn)態(tài)過程，主要的過濾機理有攔截效應(yīng)、慣性沉積效應(yīng)、擴散效應(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行沉積，慣性力隨著微粒的增大而加大，主要針對大于0.5 μm的微粒；擴散效應(yīng)指空氣中的微粒與氣體分子碰撞做無規(guī)則布朗運動，進而隨機地與濾料中纖維發(fā)生碰撞而被捕獲，主要針對小于0.1 μm的微粒；重力沉積效應(yīng)是在重力作用下質(zhì)量相對較大的微粒通過纖維層時脫離流線沉積，一般對于0.5 μm以下的粒子，其重力作用可忽略不計；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)。

靜電紡納米纖維過濾材料的過濾機理為穩(wěn)態(tài)過程，而且單根纖維的捕捉效率并不是各種效應(yīng)下捕集效率的簡單加和，而是5種效應(yīng)共同作用的結(jié)果[31]。表征過濾材料本身性能優(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濾性能的重要因素，一般認為過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行了報道，并研究了進行電紡絲所需施加的電場。隨后20世紀(jì)30年代，F(xiàn)ormhals申請了第1個靜電紡絲技術(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)備簡易，多種可紡物質(zhì)選擇，成本低廉，生產(chǎn)中的各項工藝參數(shù)可以調(diào)控等突出優(yōu)點，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)被電場力拉伸形成“泰勒錐”[33-34]，當(dāng)電場力足夠克服其表面張力和內(nèi)部黏結(jié)力時，“泰勒錐”表面噴射出聚合物溶液射流(其流速大概在幾米/秒)。射流在較短的時間和距離內(nèi)經(jīng)過電場力的高速拉伸、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)量級的聚合物纖維[35-36]。通過靜電紡絲技術(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數(shù)量級，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)，空隙大小達到亞微米級；還可以通過控制電紡時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力的大小。環(huán)境因素，包括溫度、空氣濕度等對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。針對同一種聚合物的研究，溶液性質(zhì)對纖維形貌的影響比工藝參數(shù)更為顯著。雖然目前對電紡中的各種因素的影響已經(jīng)有很多研究，但一方面，對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，因為各因素對電紡成纖的影響可能是互相聯(lián)系的，并不完全孤立。因此對于電紡的研究還有待進一步深入研究。

2.2　靜電紡空氣過濾材料的性能

過濾材料的性能對過濾效果有著直接的決定性作用，通過靜電紡絲技術(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數(shù)量級，其直接范圍為幾十納米到幾十微米，其用作空氣過濾材料有著自己獨特的優(yōu)勢。

2.2.1孔徑及孔徑分布

孔徑通常指空隙的平均直徑，孔徑分布指各級孔徑所占百分比。其測試方法有BET法[37]，壓汞法[38]，泡點法[39]等。過濾材料對微粒的過濾是通過其內(nèi)部孔道實現(xiàn)，因而孔徑與孔徑分布很大程度上影響過濾材料對微粒大小的過濾。商業(yè)生產(chǎn)中采用聚合過濾媒介來捕獲0.3 μm大小的油滴，電紡技術(shù)有望為這種亞微米級的有害顆粒的去除提供一個新的研究方向。由于過濾器只能用來捕獲與過濾的孔結(jié)構(gòu)相匹配的顆?；蛘咭旱?，因此在過濾器中發(fā)展高效和有效的過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的細小顆粒，進而提高過濾效率[40]。

2.2.2過濾效率

過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)系到過濾器能否滿足使用要求。選取不同的檢測方法，過濾器的過濾效率會有很大的差異，所以在對不同過濾器的過濾效果進行比較時需要先確定測試方法及其計算方法[41]。另外隨著人們要求的不斷提高，不僅是過濾效率要求提高，過濾精度的要求也越來越高。過濾精度與顆粒直徑相聯(lián)系，過濾精度值是指某個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)，孔隙的大小達到亞微米級，其對過濾效率與過濾精度的提高有著不可替代的優(yōu)勢。

2.2.3過濾阻力

在過濾過程中，濾料進、出風(fēng)口之間存在的壓力差值即為過濾阻力，也稱為壓力降。纖維能夠使氣流繞行，進而產(chǎn)生一定的阻力，因此，氣流穿過濾料存在壓力降。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，有望大幅度降低過濾阻力。

2.2.4容塵量

容塵量是在特定實驗條件下過濾器容納試驗粉塵的重量，只用當(dāng)試驗粉塵和實驗條件相同時，容塵量才能用來判斷過濾器的優(yōu)劣。一般情況下，濾料的過濾精度越高，其通道易受污染物顆粒的堵塞，其容塵量就會偏低。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　靜電紡制備空氣過濾材料存在的工藝問題及改進方法

靜電紡過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，嚴重影響材料的過濾性能。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PEO的水溶液進行了電紡研究,通過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行了關(guān)于電導(dǎo)率和表面張力對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機鹽提高電導(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濾材料中的應(yīng)用，目前對于如何改進纖維直徑均勻性的研究很少被報道，其內(nèi)在機理還有待進一步深入研究[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)，氣流大部分會從較薄的部分通過，進而降低過濾效率與過濾性能[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容易受到干擾，嚴重阻礙了產(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)用于空氣過濾材料的制備，基于近年來對靜電紡絲技術(shù)研究的迅速發(fā)展，其電紡產(chǎn)品用于過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)量分數(shù)為13%的溶液進行電紡，結(jié)果表明，厚度為71 μm的尼龍6纖維膜對直徑為3 μm的微粒有很好的過濾性能，斷裂強度和拉伸率分別為(4.71±1.66) MPa和(69.97±9.97)%，而且進一步的結(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)，對于粒徑為0.3 μm的微粒的過濾效率達到99.98%，高效的滿足了過濾的需求。Zhang等[37]以尼龍6為原料制備直徑范圍為50～150 nm的超細納米纖維膜，為高效空氣過濾器的應(yīng)用提供了潛在的可能性。

除此之外，大家對其他靜電紡絲的材料用于空氣過濾進行了廣泛的研究。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，對膜沒有造成損害的情況下，其分離效率達到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，并測試了其對80 nm以下的NaCl顆粒的過濾效果。結(jié)果表明，和商業(yè)的聚烯烴和玻璃纖維過濾膜相比，電紡纖維過濾膜的直徑更為均勻，較少質(zhì)量的電紡纖維膜就對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，進一步證明了電紡纖維膜是一種很有前途的過濾膜材料。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)過濾膜，可作為超濾膜和納濾膜的預(yù)過濾膜。

2.5　靜電紡復(fù)合功能性空氣過濾材料的研究

靜電紡絲的特殊工藝本身存在一定問題，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濾材料相比，其機械性能較差，因此，電紡纖維膜在實際應(yīng)用中需要額外的支架提供機械強度。如今電紡纖維膜在空氣過濾系統(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，通過引入聚氨酯(PU)對纖維膜力學(xué)性能進行改性，使得PAN/PU纖維之間產(chǎn)生黏連，從而大大提高了過濾膜的力學(xué)性能和耐磨性能，而且進一步自合成了一種含氟聚氨酯(FPU)，通過調(diào)整FPU的濃度對纖維的表面進行修飾，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，300～500 nm尺寸范圍內(nèi)的氯化鈉和油性氣溶膠顆粒的過濾效率分別達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)合膜的過濾性能，結(jié)果表明，在氣流速度為2.831 L/min時，該復(fù)合膜對粒徑在3 μm以上的粉塵，過濾效率高達99.9%。

王嬌娜等[58]以PP 無紡布為支撐層，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)合空氣過濾膜，微球能夠增加纖維間的間隙， 同時對氣溶膠也有一定的攔截作用，且過濾效率均可達99.99%。萬會高[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濾效率可達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。

針對現(xiàn)行的“室內(nèi)空氣病毒污染”問題，可以通過在靜電紡溶液中加入銀來制備具有抗菌性能的高性能空氣過濾復(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對抗革蘭氏陽性葡萄球菌和革蘭氏陰性大腸桿菌微生物驗證。結(jié)果證明PAN-silver復(fù)合納米纖維過濾器能夠防止過濾介質(zhì)上微生物的增長，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌顯示了良好的抗菌活性，而且對于灰塵和微生物具有良好的過濾能力，尤其有助于醫(yī)院這種高幾率細菌感染場所空氣的凈化。姚春梅[41]選用可降解的PLA與硝酸銀混合溶液進行靜電紡絲并與PLA非織造布進行復(fù)合，制備復(fù)合過濾材料，既提高納米纖維膜的強度和過濾膜的抗菌性能，又可以提高普通過濾材料的過濾性能。

電紡聚合物納米纖維可對表面進行靜電處理[61]，在不增加壓降的情況下，依靠靜電吸引的能力進一步提高過濾效率；也可以在紡絲過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)域如高效空氣過濾器[62]、防護紡織品[63]、傳感器[64]、高級復(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)高性能空氣過濾器，有望首次商業(yè)化應(yīng)用。

3.1　工業(yè)粉塵過濾

目前空氣污染的主要歸因于工業(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)運或者其他機械處理產(chǎn)生的固體微粒以及由于燃燒、熔融、蒸發(fā)、升華、冷凝等過程形成的固態(tài)或者液態(tài)懸浮微粒等[67]。研究表明，動力學(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部位，被纖毛阻擋可部分排出體外，10%的可以到達肺的深處并沉積于其中；小于2.0 μm的微粒能夠100%的直達肺中，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源成為了一種行之有效的方法。

傳統(tǒng)過濾材料的過濾過程是主要在材料內(nèi)部發(fā)生，過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，積累到一定程度會使過濾元件的風(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濾介質(zhì)的表面過濾，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)到初始時的狀態(tài)，大大延長了使用壽命。

3.2　室內(nèi)空氣過濾

室內(nèi)空氣污染是另一個重要的環(huán)境問題，而且人們每天很大一部分時間待在室內(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了很大的安全隱患，最常見的有“病態(tài)樓宇綜合癥”?？諝膺^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)院里的病毒和細菌的擴散。因此，室內(nèi)空氣凈化器的性能備受關(guān)注，其核心部件過濾材料也成為了研究熱點。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，易與AgNO3復(fù)合增加過濾膜的抗菌性能，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等有機臭味在紫外光照射下分解除去。

3.3　車用空氣過濾

空氣濾清器是汽車發(fā)動機的重要部件之一，其主要作用是阻止空氣中的雜質(zhì)進入氣缸，進而保證汽缸的空氣質(zhì)量，避免發(fā)生堵塞，造成燃料浪費。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，雖然具有一定的過濾效率，但其在使用過程中極易發(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濾效率與低空氣阻力于一身的新型過濾材料，勢必在汽車空氣濾清器中有著很大的應(yīng)用價值。

除此之外，對于封閉的操作空間，工作人員遭受空氣中的污染物成為了一個重要的問題，如采礦工作中的機械設(shè)備艙，飛機的客艙等，采用高效的過濾介質(zhì)降低機艙灰塵濃度，為在這些區(qū)域工作的人們提供一個相對安全的環(huán)境也有極大必要。美國專利[69]公開了一種方法制造載體材料層與納米纖維無紡布層復(fù)合的粉塵過濾袋，對于墨盒吸塵和機艙空氣過濾的應(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工具。目前，熔噴非織造材料因其獨特的三維孔徑結(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，熔噴過濾材料的孔徑偏大，不能達到很好的過濾效果。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。劉萬軍[71]研究了納米纖維的直徑、厚度和不同的熔噴材料對熔噴-靜電紡-熔噴(MEM)納米復(fù)合非織造材料過濾性能的影響，通過復(fù)合一層0.029～0.116 μm的納米纖維膜，熔噴材料的過濾效率提高到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)用于高性能防護口罩。

4　結(jié)語

電紡納米纖維具有高孔隙率、大比表面積和小直徑等獨特優(yōu)勢，在空氣過濾材料領(lǐng)域引起了人們越來越多的的關(guān)注，對靜電紡絲過濾膜進行深入的基礎(chǔ)和實用性研究，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濾材料，其膜力學(xué)性能的改善可依托于復(fù)合膜過濾材料的研究，而且具有自清潔性和抗菌性能等的功能型的復(fù)合過濾材料的研究也勢在必行。

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