梯度结构多级纳米纤维膜的创新设计及其在高温空气过滤中的卓越性能

为解决传统高温过滤材料热稳定性差、过滤效率与压降难以兼顾的难题，研究人员通过静电纺丝技术构建了具有梯度双峰纤维分布的聚砜酰胺(PSA)/聚丙烯腈(PAN)/SiO2复合纳米纤维膜，结合原位交联和界面强化策略，实现了99.98%的PM0.3过滤效率和65 Pa的低压降。该材料在250°C高温下仍保持94.68%的过滤效率，为冶金、化工等极端环境提供了高效低阻过滤解决方案。

　　

随着冶金、化工等工业的快速发展，工业废气、汽车尾气等排放的PM_0.3（粒径<0.3μm）超细颗粒物对环境和健康构成严重威胁。传统熔喷纤维、玻璃纤维等过滤材料在高温下易变形失效，且存在过滤效率与透气性难以平衡的瓶颈。针对这一挑战，上海工程技术大学的研究团队创新设计出具有"外层-中层-内层"梯度结构的多级纳米纤维膜，通过有机-无机复合与双峰纤维分布策略，实现了高温环境下高效低阻过滤，相关成果发表于《Journal of Membrane Science》。

研究采用静电纺丝技术构建PSA/PAN/SiO₂复合纤维膜，通过调控溶液浓度实现各层双峰纤维分布，结合原位交联增强界面稳定性。利用计算流体力学(CFD)模拟分析纤维结构中的气流与颗粒捕获行为，并系统测试材料在250°C长期暴露下的性能变化。

材料与制备
通过精确控制PSA、PAN和SiO₂的配比，制备具有梯度孔径的三层电纺溶液，外层采用粗纤维拦截大颗粒，内层细纤维捕获PM_0.3，中层过渡结构实现低流阻。

性能表征
测试显示原始样品的PM_0.3过滤效率达99.98%，压降仅65 Pa。高温实验表明，250°C处理12小时后仍保持94.68%效率，压降稳定在62 Pa，显著优于同类材料。CFD模拟揭示了梯度结构中气流分层过滤机制。

结论与意义
该研究通过多级梯度设计和有机-无机复合策略，突破了高温过滤材料效率-压降的权衡关系。PSA分子链中的磺酰基(-SO₂-)和SiO₂的协同作用赋予材料优异热稳定性（极限氧指数LOI>33%），为工业高温废气处理提供了新思路。其创新性体现在：首次将双峰分布与梯度结构结合，通过CFD模拟阐明过滤动力学机制，填补了高温环境下长效稳定过滤材料的技术空白。