异质结构聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)/黏土溶液吹纺纤维的制备及其在高效空气过滤中的应用

为解决空气过滤中效率与阻力难以兼顾的难题，研究人员通过溶液吹纺技术（SBS）将天然膨润土（bentonite）引入聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)（PHBV）纤维，构建了具有纳米串珠异质结构的空气滤材。该材料在PM0.3和PM2.5过滤中分别实现91.4%和98.7%的高效截留，且压降低于53 Pa，为开发环保、低阻、长寿命过滤设备提供了新策略。

　　

全球空气污染每年导致约700万人过早死亡，经济成本高达全球GDP的6.1%。尽管非织造空气滤材已广泛应用，但传统聚丙烯（PP）或玻璃纤维滤材对亚微米颗粒（如PM_0.3）的截留效率不足，而电纺纳米纤维又面临高能耗、低产率等问题。巴西里约热内卢联邦大学（Universidade Federal do Rio de Janeiro）的Lucas Gomes Rabello团队在《Surfaces and Interfaces》发表研究，通过溶液吹纺技术（Solution Blow Spinning, SBS）将天然膨润土整合至生物基聚酯PHBV中，开发出兼具高过滤效率与低空气阻力的新型滤材。

研究采用实验设计（DoE）方法，调控PHBV浓度（3%-5% w/v）、气压（70-140 kPa）和黏土含量（0-0.5% w/v），通过SEM、压降测试和气溶胶截留实验系统评估性能。关键发现包括：5% PHBV/0.5%黏土体系在140 kPa下形成独特的"纳米串珠异质结构"，每平方毫米超2000个纳米突起，比表面积显著增加；所有SBS滤材均优于商用PP滤材，最佳样品对PM_0.3和PM_2.5的过滤效率分别达91.4%和98.7%，压降低于53 Pa；黏土通过诱导表面拓扑结构改变，使滤材基重降至8.4 g·m^?2，较传统材料减重40%以上。

在"Results and discussion"部分，研究揭示了三个核心结论：

1. 形态调控机制：黏土颗粒在纤维拉伸过程中形成尺寸可控的纳米突起（直径80-200 nm），其分布密度与气压呈正相关，140 kPa下形成连续串珠结构；
2. 过滤性能突破：异质结构通过机械拦截、惯性碰撞和扩散沉积三重作用提升PM捕获，对柴油烟尘（模拟PM_0.3）的过滤效率较均质纤维提升23%；
3. 环境优势验证：PHBV/黏土滤材在土壤中60天降解率达78%，远高于PP滤材（<5%），且膨润土的天然组分确保降解过程无生态毒性。

研究结论指出，SBS技术结合黏土改性策略成功打破了过滤效率与压降的"trade-off效应"，其创新性体现在三方面：首次将膨润土用于SBS纤维形貌调控，开发出具有纳米级表面拓扑的异质结构；证实生物基PHBV滤材可实现与合成材料相当的过滤性能；为《巴黎协定》框架下的碳中和目标提供了可产业化的绿色技术方案。这项工作不仅为新一代空气净化设备提供了材料基础，更推动了可持续制造技术在环境健康领域的应用边界。