耐高温聚酰亚胺/SiO2纳米纤维膜的静电增强超高效颗粒捕获性能研究

为解决高温工业排放中PM0.3颗粒难以高效过滤的难题，研究人员通过多针头静电纺丝技术开发了兼具高透气性（146 mm/s）和强静电效应（?1500 V）的PI/SiO2纳米纤维膜。该膜在260°C持续过滤240分钟后仍保持99.1668%的PM0.3捕集效率，且压降低至109 Pa，为高温复杂环境下的空气净化提供了创新解决方案。

　　

高温工业排放产生的PM0.3颗粒能深入肺部引发严重健康问题，但现有过滤材料难以兼顾高温耐受性、低气流阻力和高过滤效率。传统材料如聚四氟乙烯（PTFE）加工困难，聚偏氟乙烯（PVDF）压降过高，而聚酰亚胺（PI）虽耐高温却面临透气性不足的瓶颈。更棘手的是，超细颗粒的静电吸附效应在高温环境下易衰减，导致过滤性能下降。

针对这些挑战，中国的研究团队创新性地将二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒引入PI纤维体系，通过多针头静电纺丝和热亚胺化工艺，制备出具有分级结构的PI/SiO<2>纳米纤维膜。该研究发表在《Journal of Membrane Science》上，揭示了SiO₂掺杂如何通过扩大纤维间距（提升透气性）和增强摩擦起电效应（维持?1500 V静电压）的双重机制，实现高温环境下PM0.3的超高效捕获。

关键技术包括：1）三针同步静电纺丝构建PAA/SiO₂前驱体膜；2）马弗炉烧结实现PAA向PI的转化及PEO模板去除；3）工业粉尘模拟测试系统评估实际性能。

【表面形貌与结构】电镜显示SiO₂的引入使纤维直径从380 nm增至550 nm，间距扩大至3.2 μm，孔隙率提升至89.6%。X射线光电子能谱证实SiO₂成功锚定在纤维表面，形成粗糙结构。

【过滤性能】PI/SiO₂-3样品在260°C下展现99.1668%的PM0.3过滤效率，压降仅109 Pa，优于纯PI膜（效率96.5%，压降148 Pa）。工业模拟测试中，与滤袋集成后效率高达99.9993%。

【机制分析】SiO₂通过两方面发挥作用：物理上增加纤维曲折度延长颗粒碰撞时间；化学上通过摩擦电效应产生持久静电场。原位测试显示气流速度达5 cm/s时，膜表面电位可达?1.5 kV。

该研究突破性地平衡了高温过滤材料"效率-阻力"的权衡问题，其开发的PI/SiO₂膜在钢铁冶炼、垃圾焚烧等工业场景中展现出应用潜力。特别是自持静电效应的发现，为开发非依赖外部电源的主动式过滤器提供了新思路。值得注意的是，材料在pH=2的酸性环境中仍保持98.7%的过滤效率，凸显出对复杂工业环境的适应性。这些发现为下一代高温空气净化材料的设计树立了新标杆。