单模态模型在双模态高性能空气过滤膜中的应用研究

《Powder Technology》：Applying unimodal models to high-performance bimodal air filtration membranes

本文创新性地将单模态过滤模型拓展应用于双模态纳米纤维膜体系，通过引入表观填充密度（α）参数，解决了传统等效直径法在预测双模态纤维系统性能时的局限性。研究表明，Bian模型（考虑滑流效应）和Liu & Rubow模型结合α可精准预测双模态膜的压降（误差±5%）和过滤效率（误差±5%），为设计高效低阻的新一代空气过滤系统提供了关键理论工具。

　　

Highlight

膜形态

扫描电子显微镜（SEM）图像如图3所示，展示了由两种不同溶液制备的电纺纤维形态：溶液A和溶液B。图像(a)和(b)分别描绘了由溶液A（12% w/w 聚丙烯腈（PAN）溶于N,N-二甲基甲酰胺（DMF））和溶液B（7.5% w/w PAN/DMF）生成的纤维结构。这些图像揭示了纳米纤维网络，比例尺为5微米，突出了纤维直径和分布的差异。溶液A产生的纤维明显更粗，这影响了过滤性能，而溶液B产生的纤维更细，有助于提高捕获效率。所有膜均采用尼龙网增强，以确保机械稳定性，而不会显著改变纤维形态或孔隙结构。

结论

本研究证明了通过静电纺丝技术，由12% w/w（溶液A）和7.5% w/w（溶液B）的聚丙烯腈（PAN）N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液制备的双模态纳米纤维过滤器在先进空气过滤应用中的巨大潜力。扫描电子显微镜（SEM）分析证实，溶液A比溶液B产生更粗的纤维，从而影响过滤性能，而尼龙网的加入增强了机械稳定性，且不损害过滤特性。通过引入表观填充密度（α）的概念，成功地将单模态模型扩展到双模态系统。结果表明，Bian模型通过考虑滑流效应，能准确预测压降（误差在±5%以内），而Liu & Rubow模型最符合过滤效率（误差在±5%以内），尤其是在最易穿透粒径（MPPS, 100–200纳米）附近。此外，复合纤维比例显著影响品质因子和最易穿透粒径（MPPS），揭示了效率与阻力之间的权衡关系。总体而言，双模态复合材料表现出卓越的性能，结合了较低的压降和较高的捕获效率。本研究确定，结合表观填充密度（α）应用的Bian和Liu & Rubow模型是适用于双模态纳米纤维膜的最合适方法，为设计下一代空气过滤系统提供了指导。

生成式人工智能和人工智能辅助技术在稿件准备过程中的使用声明

在准备这项工作的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）和Scopus AI（Elsevier）来协助提高语言清晰度和识别与双模态纤维过滤模型相关的文献。在使用此工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

Casmika Saputra: 写作 – 审阅和编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，软件，形式分析。 Muhammad Miftahul Munir: 监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，数据整理，概念化。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突。

Muhammad Miftahul Munir报告说万隆理工学院提供了财政支持。Muhammad Miftahul Munir报告与万隆理工学院存在包括雇佣在内的关系。如果有其他作者，他们声明没有其他已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本工作。

致谢

这项工作得到了印度尼西亚万隆理工学院（ITB）2025财年ITB卓越研究基金的财政支持。