通过刚性调节的交联网络以及深度捕获的电荷，使得驻极体膜具备了抗湿性的气溶胶过滤能力

《Journal of Membrane Science》：Rigidity-tailored crosslinked networks with deep-trapped charges enable electret membranes for humidity-resilient aerosol filtration

聚苯乙烯-马来酸酐共聚物（SMA）通过调控交联网络分子刚性，构建深陷阱电荷结构，使 electret 膜在95%湿度下保持99.83%过滤效率。分隔符：

　　这项研究围绕电晕膜材料在高湿度环境下电荷稳定性的提升展开，旨在解决传统电晕膜材料在潮湿条件下电荷衰减严重、过滤效率下降的问题。电晕膜因其在空气中对微粒的高效捕获能力，广泛应用于室内空气净化和个人呼吸防护领域。其过滤性能主要依赖于机械捕获和电荷捕获的协同作用，然而在高湿度环境下，电荷的迁移和衰减会显著影响其过滤效果。因此，如何通过分子层面的结构调控，提高电晕膜材料在高湿度条件下的电荷稳定性，成为当前研究的重要方向。

研究团队采用了一种新的策略，通过调控聚苯乙烯-马来酸酐共聚物（SMA）分子链之间共价键的刚性，设计出具有深度电荷捕获能力的交联网络结构。这种结构能够有效限制分子链段的运动，从而抑制电荷迁移，提高电荷在膜材料中的保留能力。具体而言，通过引入不同类型的交联剂，如乙二醇（EG）、4-氨基苯乙醇（AA）和4,4'-(4,4'-异丙基二苯基-1,1'-二氧基)二胺（IDDA），研究者成功构建了三种不同的交联SMA材料：CS-EG、CS-AA和CS-IDDA。其中，CS-IDDA表现出最优的性能，其过滤效率在95%相对湿度环境下仍能保持在99.83%以上。

这种深度电荷捕获能力的实现，依赖于交联网络中形成的局部缺陷和空间不均匀性。这些结构特征为电荷提供了稳定的捕获位点，使得电荷在膜材料中不易迁移，从而维持较高的电荷密度和电场强度。研究团队利用热刺激去极化电流（TSDC）和开尔文探针力显微镜（KPFM）等技术手段，验证了交联结构中电荷的深度捕获现象。结果显示，交联网络的刚性设计显著提升了电荷的稳定性，进而增强了膜材料的电荷捕获能力。

此外，研究还发现，交联结构通过减少分子链之间的间距和自由体积，有效限制了链段的运动，从而进一步抑制了电荷的迁移。这一现象通过X射线衍射（XRD）和分子动力学（MD）模拟得到了证实。XRD分析表明，交联结构显著降低了分子链的有序性，形成了更多的无序区域，这些区域有助于电荷的深度捕获。而MD模拟则揭示了在交联结构中，链段的运动受到更强的限制，电荷迁移路径被有效阻断，从而提升了电荷的稳定性。

研究团队在实验过程中采用了多种方法来评估交联SMA材料的性能。首先，通过调控交联剂的种类和比例，构建了具有不同刚性特性的交联网络结构。然后，利用电晕充电技术对这些材料进行电荷注入，模拟其在实际使用中的电荷捕获过程。接着，通过在不同湿度条件下测试材料的过滤效率，评估其在实际环境中的稳定性。实验结果表明，CS-IDDA材料在95%相对湿度环境下仍能保持99.83%的过滤效率，远高于未交联SMA材料的性能。这一结果表明，通过调控交联网络的刚性，可以显著提升电晕膜材料在高湿度条件下的过滤稳定性。

在材料合成方面，研究团队采用了一种系统的方法，通过SMA与不同交联剂的反应，形成具有不同交联密度和刚性特性的材料。例如，SMA与EG反应形成酯键，这种键具有一定的柔韧性，使得链段能够有一定的运动自由度。而与AA和IDDA反应则分别形成酰胺键和酰亚胺键，这两种键的刚性较高，能够有效限制链段的运动，提高电荷的捕获深度和稳定性。通过调节交联剂的种类和比例，研究者能够精确控制交联网络的刚性和结构，从而优化其电荷捕获性能。

实验过程中，研究团队还关注了材料的物理性能和化学稳定性。例如，通过测量材料的体积电阻率，评估其电荷注入和保持能力。结果显示，SMA的高体积电阻率使其能够有效保持电荷，而交联结构的引入进一步增强了这一特性。此外，通过热重分析（TGA）和差示扫描量热分析（DSC），研究者还评估了材料在不同温度和湿度条件下的热稳定性和相变行为。这些分析结果为理解交联结构对电荷稳定性的影响提供了重要的依据。

在性能评估方面，研究团队采用了多种测试方法，包括过滤效率测试、电荷保持测试和电场强度测量。过滤效率测试通过模拟空气中不同粒径的颗粒物，评估材料在实际使用中的捕获能力。电荷保持测试则通过在不同湿度条件下对材料进行电晕充电，并测量其电荷衰减情况，从而评估材料的电荷稳定性。电场强度测量则通过KPFM技术，直接观察材料表面的电场分布情况，进一步验证电荷捕获的深度和稳定性。

研究结果表明，交联网络的刚性设计对电晕膜材料的电荷稳定性具有显著影响。与传统的交联策略相比，这种基于分子刚性调控的交联网络结构能够更有效地抑制电荷迁移，提高电荷在膜材料中的保留能力。此外，这种结构设计还能够显著提升材料的过滤效率，使其在高湿度环境下仍能保持高效的电荷捕获能力。因此，该研究为开发高性能、高稳定性的电晕膜材料提供了新的思路和方法。

从实际应用角度来看，这种新型电晕膜材料在空气净化和公共卫生安全领域具有广阔的应用前景。尤其是在潮湿环境下，如热带海洋气候区或亚热带季风气候区，传统电晕膜材料的过滤效率往往会受到严重影响。而通过调控交联网络的刚性，这种新型材料能够在这些极端环境下保持较高的过滤效率，从而满足实际应用的需求。此外，该材料还具有较低的空气阻力，能够在不影响气流的情况下实现高效的过滤，这对于呼吸防护设备尤为重要。

研究团队还指出，这种基于分子刚性调控的交联网络结构设计策略，不仅可以应用于SMA材料，还可能适用于其他类型的电晕膜材料。通过进一步研究不同材料的分子结构和交联特性，可以拓展这一策略的应用范围，开发出更多适用于不同环境条件的高性能电晕膜材料。这为未来的材料设计和应用研究提供了重要的理论支持和技术指导。

综上所述，这项研究通过调控交联网络的刚性，成功设计出具有深度电荷捕获能力的电晕膜材料，显著提升了其在高湿度环境下的过滤效率和稳定性。研究团队采用了一系列先进的实验和模拟方法，验证了交联结构对电荷稳定性的影响，并为未来的材料设计提供了新的思路。这一成果不仅有助于提升电晕膜材料的性能，还为实现高效、稳定的空气净化技术提供了重要的支持。