《Separation and Purification Technology》：Fabrication and properties of air filter materials with fluffy multi-scale micro/nano bimodal fibers via multi-nozzle solution blow spinning
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三维多孔微/纳米纤维复合材料通过并行整合溶液吹塑与电静溶液吹塑策略制备，同步形成均匀交织的微纤维骨架和纳米纤维过滤网络，孔径分布与结构可调，兼具高过滤效率（99.65%）、低阻力（152 Pa）和长期稳定性（34天）。
河南省中原工业大学新型纺织材料与纺织品国际联合实验室，中国郑州450007
摘要
为了解决纤维过滤材料在高效、低阻力及长期稳定性之间的平衡问题，本研究提出了一种创新的并行集成纺丝策略。通过将溶液喷射纺丝和静电溶液喷射纺丝单元原位结合，成功一步制备出了三维蓬松的微/纳米双模态纤维复合过滤材料。该方法实现了微纤维骨架与纳米纤维过滤网络的同步形成和均匀交织，并通过调整纺丝单元的比例精确优化了材料的孔径分布和孔结构。结果表明，所制备的过滤材料具有明显的双模态纤维分布、高孔隙率（>92%）以及由其微纳米多尺度粗糙结构赋予的强疏水性。其中，纺丝单元比例为1（WNfm1/1）的过滤材料表现出最佳的初始综合过滤性能（过滤效率99.648±0.36%，质量因子为0.03646±0.0002 Pa?1）。相比之下，纺丝单元比例为2（WNfm2/1）的过滤材料由于具有更开放的孔结构，表现出更高的粉尘吸附能力（29.54 g/m2）和更长的使用寿命（34天），以及在长期测试中的优异稳定性，体现了初始效率与长期低阻力运行之间的平衡。结合微观结构演变观察和数值模拟，本研究深入阐明了微纤维和纳米纤维在深度过滤中的协同机制。该材料还具有良好的机械韧性和热稳定性。这项工作为高性能和可持续空气过滤材料的发展提供了一种新的制备策略和理论基础。
引言
随着工业化和城市化的加速，空气中的细颗粒物（PM），尤其是PM?.5和PM?.3，对公众健康和精密产业构成了日益严重的威胁，推动了高效空气过滤技术的发展[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。因此，开发能够有效去除PM颗粒的技术已成为主要的研究焦点。在这一背景下，纤维过滤技术因其高效性和成本效益而成为主流解决方案[10]、[11]。然而，传统的过滤介质（如熔融吹制纤维、玻璃纤维）受到材料固有缺陷的限制，在平衡高过滤效率、低气流阻力和长期稳定性方面存在困难[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。
为了克服这些限制，静电纺丝和溶液喷射纺丝（SBS）因能够制造微/纳米纤维而受到广泛关注。静电纺丝可以生产出具有优异过滤精度和材料适应性的超细纳米纤维膜[18]、[19]、[20]。为了充分利用这一结构优势并减轻单一组分纳米纤维膜的局限性，研究人员经常构建多尺度纤维复合结构以全面提升性能[21]、[22]。例如，Yang等人[23]使用PBS和PAN/PS微/纳米纤维垫通过静电纺丝制备了拱形TENG过滤器，对PM?.?的过滤效率超过98%，压降仅为50 Pa。Wang等人[24]使用乙醇和水作为溶剂通过静电纺丝制备了乙基纤维素（EC）双模态纳米纤维膜，对PM?.?的过滤效率达到99.11%，压降为42.2 Pa。然而，静电纺丝纤维膜本身产量低、气流阻力高且机械强度有限，阻碍了其大规模应用[25]、[26]。相比之下，溶液喷射纺丝具有高产量、低能耗和良好的可扩展性潜力[27]、[28]、[29]。Li等人[30]通过SBS扩大了PI纳米纤维空气过滤器的生产规模，在室温下实现了99.73%的高过滤效率。Xu等人[31]使用羟丙基甲基纤维素（HPMC）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为原料通过SBS制备了ZrO纳米纤维膜，在32 L·min?1的气流速率下过滤效率达到94.94%，压降为136 Pa。然而，SBS通常产生的纤维直径较大，导致对PM?.?等超细颗粒的拦截能力不足，难以满足高精度过滤要求。
基于对现有复合纤维制备策略的分析，复合多尺度纤维或调整工艺参数已成为提高过滤性能的常见方法[32]、[33]。然而，大多数混合系统（如电吹法、气流辅助静电纺丝）虽然结合了静电纺丝和SBS以协同利用电场的精炼效应和气流的拉伸/分散效应，但仍无法一步制备出结构上完整的纤维[34]、[35]。这些系统往往缺乏明确的双模态分布和稳定的三维蓬松互连网络，难以平衡效率、阻力和粉尘吸附能力。因此，尽管这两种技术在“精度”和“生产力”方面具有很强的互补性，但如何在一步内深入整合它们以构建稳定且高效的双模态纤维网络仍是一个重要的科学和工程难题。因此，研究人员尝试结合这两种技术。例如，Topas等人[36]通过联合方法制备了聚乳酸双模态微/纳米过滤器，即使在经过一周的电晕放电处理后仍保持了非常高的过滤效率（99.997%）。这表明，结合这两种方法生产不同尺度的纤维可以实现微/纳米纤维的原位共生成和均匀混合。基于此，本研究开发的纺丝装置能够精确并行调节多个纺丝单元，从而实现微纳米双模态纤维膜的一步原位制备，具有可调的组成和三维交织结构。这种结构不仅提供了高过滤效率和低压降，还集成了多种功能优势，如高孔隙率（蓬松性）、优异的机械恢复性（抗疲劳性）和强疏水性，其综合性能超越了当前的技术水平。
为了解决这一挑战，本研究提出了一种一步混合纺丝策略，通过并行部署溶液喷射纺丝（SBS）和静电溶液喷射纺丝（ESBS）单元。该方法能够同时纺丝和复合沉积微纤维和纳米纤维，生成蓬松的双模态微/纳米纤维复合过滤材料。该策略结合了低能耗和可扩展性，实现了微纤维和纳米纤维的原位共形成和均匀混合，形成了定义明确的三维互连双模态网络。在这种结构中，原位生成的纳米纤维有效捕获超细颗粒，而同步形成的微纤维提供了支撑骨架和低阻力流动通道。此外，纤维表面的微/纳米级粗糙度显著影响材料的综合性能。这种粗糙表面的润湿性往往偏离杨氏方程，更适合用Wenzel或Cassie–Baxter等修正模型来描述[37]。利用这种可调纺丝设计，我们系统研究了纺丝单元比例对微观结构的方向调节效应，并成功制备了一系列高性能的微/纳米纤维双模态混合过滤材料（简称WNfm，其中W和N分别表示微米和纳米纤维，fm表示纤维膜）。结果表明，纺丝单元比例为1（WNfm1/1）的过滤材料在保持高孔隙率（92.37±0.65%）的同时，实现了高过滤效率（99.648±0.36%）和低阻力（152±4.5 Pa）。纺丝单元比例为2（两列SBS单元对应一列ESBS单元，WNfm2/1）的过滤材料表现出更高的粉尘吸附能力（29.54 g/m2）和更长的使用寿命（34天）。结合实验和模拟进一步阐明了微/纳米双模态结构的协同过滤机制。这项工作不仅为开发具有高精度、低阻力、高稳定性和良好工艺可行性的过滤材料提供了新途径，还为多尺度功能材料的设计和集成提供了新的见解。
材料
聚丙烯腈（PAN，分子量=80,000）购自泰康凯达塑料原料有限公司（中国）。聚苯乙烯（PS，100目，分子量=80,000）购自飞鸿塑料化工有限公司（中国）。氟化聚氨酯（FPU）来自江苏宝泽聚合物材料有限公司（中国）。聚氨酯（PU）由东莞明珠塑料化工有限公司（广东）提供。N,N-二甲基甲酰胺（DMF，AR）和氯化钠（NaCl）由中国供应
微纤维和纳米纤维过滤材料的制备
通过溶液喷射纺丝制备PS/PU微纤维过滤材料（Wfm）：与静电纺丝相比，通过溶液喷射纺丝制备PS/PU微纤维显著提高了生产效率。该方法利用高速气流产生的剪切力初始拉伸聚合物溶液射流，从而加速溶剂蒸发并促进纤维固化，最终将聚合物溶液转化为微/纳米结构纤维[45]
结论
本研究提出了一种创新的策略，通过并行集成溶液喷射纺丝和静电溶液喷射纺丝单元，实现了三维蓬松微/纳米双模态纤维复合过滤材料的一步原位制备。该策略的核心优势在于其对纤维组成的精确控制
资金来源的格式化
本研究得到了国家重点研发项目子项目（编号2022YFB4700601、2022YFB4700602和2022YFB4700603）、河南省重点研发计划（编号251111232400）、河南省科技重大项目（编号231100320200）、中原地区科技创新领军人才项目（编号244200510022）、河南省高校重点科研项目计划（编号25A540005）以及河南省自然科学基金的支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
