玄武岩纤维织物结构优化与表面功能化协同提升PM2.5过滤性能研究

为解决空气过滤材料效率与压降的固有矛盾，研究人员通过宏-微观结构调控与ZIF-8功能化改性，开发了兼具高效PM2.5拦截（93.4%）与超低压降（5 Pa）的玄武岩纤维非织造布，其品质因子达0.5558 Pa-1，并具备耐高温、抗菌等多功能特性，为复杂环境下的高性能过滤材料设计提供新思路。

　　

空气中飘浮的PM_2.5和PM_0.3颗粒能穿透人体循环系统，引发心血管疾病，甚至损害工业设备。传统聚合物滤材虽广泛应用，却面临高温稳定性差、环境负担重等瓶颈。玄武岩纤维(BF)作为天然无机材料，兼具环保与耐极端环境特性，但其过滤机制与功能化研究尚不充分。中国科学院团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，通过结构设计与表面改性协同策略，打造出“鱼与熊掌兼得”的高性能过滤材料。

研究采用湿法成网工艺制备非织造布(NW-BF)，通过热压调控孔隙分布，并引入ZIF-8纳米颗粒修饰纤维表面。结合计算流体力学模拟，系统对比了编织布(W-BF)与非织造布的过滤行为。

材料制备与表征
通过湿法成网技术实现纤维随机排布，ZIF-8修饰通过配位反应在纤维表面构建纳米级粗糙结构。扫描电镜显示NW-BF孔隙分布更集中，比表面积较W-BF提升3倍。

过滤性能分析
NW-BF的PM_2.5过滤效率达93.4%，压降低至5 Pa，品质因子较W-BF提高200倍。模拟表明ZIF-8通过静电吸附增强对0.3-1 μm颗粒的捕获，效率提升12%。

多功能特性验证
改性织物在800°C下保持结构稳定，对大肠杆菌抑菌率达99%，SO₂吸附容量达28 mg/g，且经10次清洗后效率仅下降2.1%。

结论与意义
该研究首次阐明BF织物宏-微观结构对过滤行为的调控规律：非织造结构通过三维网络实现物理拦截优势，ZIF-8修饰则通过静电作用补足亚微米颗粒捕获短板。所开发的材料在工业废气处理、个人防护等领域具有应用潜力，为无机纤维滤材的“性能-功能”一体化设计提供范式。研究团队特别指出，湿法成网工艺的低能耗特性符合双碳战略，未来可通过MOFs种类优化进一步提升环境适应性。