综述：探索纳米技术在纤维滤材改性用于空气过滤应用中的作用：一项范围综述

《Journal of Natural Fibers》：Exploring Nanotechnology’s Role in Fiber Filters Modification for Air Filtration Applications: A Scoping Review

　　

自2000年代末以来，利用纳米材料增强纤维滤材的性能和效率已成为一个日益增长的研究领域。本范围综述分析了在空气过滤应用中，有关纳米材料类型、掺入方法以及滤材性能改进的现有知识状况。该综述依据JBI证据整合手册（JBI Manual for Evidence Synthesis）进行。研究人员在PubMed、Scopus和Web of Science中，使用“纤维滤材”（fiber filter）、“效率”（efficiency）和“纳米材料”（Nanomaterial）关键词进行了系统检索。纳入标准包括截至2023年11月1日发表的、聚焦于在空气过滤应用中将纳米材料用于纤维滤材的同行评审英文研究。本研究指出，中国、韩国、印度、伊朗和美国在国际合作的支持下，是纳米纤维研究的积极贡献者。电纺丝（electrospinning）被确定为从聚合物、陶瓷和复合材料合成纳米纤维的主要方法。通过整合纳米材料——如金属/金属氧化物纳米粒子（metal/metal oxide nanoparticles）、碳基材料（carbon-based materials）、草本添加剂（herbal additives）、金属-有机框架（MOFs）和壳聚糖（chitosan）——研究人员增强了纤维滤材的性能。这些改性提高了过滤效率（filtration efficiency），降低了压降（pressure drop），提升了热/电性能，并引入了抗菌功能（antimicrobial functionality）。尽管纳米材料整合为先进滤材设计提供了一条有前景的路径，但未来工作必须优先考虑优化材料选择、确保稳定性，并解决环境影响。

论文主体部分总结：

**引言**
过滤是空气净化、水净化和医疗等众多行业中的关键过程，其中纤维滤材因其高比表面积、机械强度和多功能性而成为一类特别有效的滤材。纤维滤材由纤维材料（通常为机织或无纺布）组成，可通过筛分、拦截和扩散等物理过程捕获颗粒物。与常规滤材相比，纤维滤材因其独特结构而具有优势，其纤维网络为流体或空气通过创造了众多路径，增加了颗粒捕获的机会。此外，纤维滤材可针对不同孔隙率进行定制，便于捕获各种尺寸范围的颗粒，包括纳米级污染物。然而，纤维滤材在某些应用中虽优于许多传统过滤系统，但其过滤效率仍存在局限性，特别是在捕获最小颗粒和维持长期耐久性方面。纳米技术的近期进展为增强纤维滤材性能开辟了新途径。纳米材料（NMs）在纳米尺度具有独特的物理和化学性质，在提高纤维滤材过滤效率方面展现出巨大潜力。通过将碳纳米管（CNTs）、石墨烯和金属纳米粒子等纳米材料整合到纤维基体中，可显著增加比表面积，并创造更多用于污染物捕获的反应位点。此外，纳米材料可引入抗菌性能或提高滤材捕获超细颗粒的能力，这些传统纤维难以有效捕获。这些改性不仅增强了滤材能力，还有助于实现更持久、更可持续的过滤解决方案。

**方法**
本范围综述依据JBI范围综述指南进行，包括以下五个步骤：1. 确定研究问题；2. 识别相关文献；3. 筛选研究；4. 图表化数据；5. 整理、总结和报告结果。研究问题包括：哪些国家研究利用纳米材料增强纤维滤材以及应用于哪些领域？这些滤材生产中主要使用哪些材料？纤维生产的主要制造技术有哪些？使用了哪些纳米材料来增强这些滤材？纳米材料以何种方式添加到滤材中？通过整合纳米材料，旨在增强哪些滤材特性？文献检索在PubMed、Scopus和Web of Science数据库中进行，使用与纳米纤维滤材和纳米材料相关的关键词。此外，还检查了相关研究的参考文献以及Google Scholar和ResearchGate中的“相关文章”和“类似研究”选项。初步检索结果导入EndNote，去除重复项后，由两名独立评审者根据标题和摘要筛选剩余记录，然后对剩余文献进行全文审查，排除不符合纳入标准的研究。纳入标准包括：原始研究、英文撰写、可获取全文、专门研究利用纳米材料提高纤维滤材在空气过滤应用中的效率。数据提取由四名研究人员使用Word设计的表格进行，提取内容包括第一作者、发表年份、第一作者机构所在国家、研究类型、纤维类型、直径和制造方法、纳米材料类型和尺寸、添加纳米材料的方法以及研究目的。

**结果与讨论**

**一般信息**
初步检索获得937篇文献（PubMed: 311, Scopus: 613, Web of Science: 13），去除119篇重复后，剩余818篇。根据标题和摘要排除687篇，最终131篇进行全文审查，再排除31篇，最终纳入100篇文章。纤维滤材生产领先国家包括中国、韩国、印度、伊朗和美国。使用的材料包括合成聚合物（如PET、PAN、PLGA、PU树脂、PP、PVB和PVP）和天然聚合物（如PLA、HAP、SPI和PAA）。纤维制造方法包括电纺丝、雾化、热干燥、熔喷、真空过滤和湿纺。改进的特性分为物理、化学、机械和生物四大类，增强了过滤效率、抗氧化性、耐久性和抗菌性能。纳米材料的添加方法分为嵌入和涂覆两种。使用的纳米材料包括金属和金属氧化物纳米材料（NMs）、碳基NMs、MOFs、壳聚糖和草本NMs。

**研究利用纳米材料增强纤维滤材的国家**
根据结果，首次尝试利用纳米材料提高纤维滤材效率的研究可追溯到2008年，Xu等人利用平均粒径50 nm的银纳米粒子（Ag NPs）通过电纺丝PLGA赋予纤维滤材抗菌性能。此后，该领域研究的数量和多样性不断增加。最重要的活跃国家包括中国、韩国、印度、伊朗和美国，值得注意的是，大量研究由两个或多个不同国家的合作者共同完成。中国在纳米技术研发方面投入巨大，包括在纤维滤材中使用纳米材料；韩国对纳米技术的商业应用表现出浓厚兴趣；印度研究人员和公司正投资于纳米技术用于滤材应用，包括开发低成本纳米纤维过滤解决方案；伊朗的研究在利用纳米材料（如CNFs和CNTs）改善空气和水质方面显示出有前景的结果；美国在纳米技术研究方面处于领先地位，包括纳米材料在过滤系统中的应用。

**纤维和纳米纤维基滤材的各种应用**
过滤技术近年来取得了显著进展，主要推动力是从微米尺度向纳米尺度的转变。传统纤维滤材由直径2-20 μm的微纤维组成，长期以来是空气和水净化的工业标准，但在捕获超细颗粒、细菌和病毒方面存在固有局限性，这为纳米纤维基滤材的出现铺平了道路。纳米纤维通常直径为10-500 nm，因其独特的多孔结构、极高的比表面积和可调孔径而引入了材料科学和化学工程的新范式。纳米纤维能够过滤超过99%的空气颗粒物和病原体，而无需强静电电荷。由聚丙烯腈（PAN）或聚偏氟乙烯（PVDF）制成的纳米纤维膜，即使经过多次洗涤或长时间使用，也能保持过滤效率。此外，多层随机取向纳米纤维结构增强了容尘能力，有效防止滤材过早堵塞。在工业通风系统中，现代方法采用混合滤材，即在微纤维基材上沉积一层纳米纤维薄层，既提供机械强度，又通过均匀纤维分布防止不均匀堆积，确保在高流速下保持高过滤效率。在淡水稀缺和复杂化学污染物释放的背景下，纳米纤维膜在预处理阶段作为传统反渗透（RO）膜的替代方案。在膜蒸馏（MD）过程中，疏水性纳米纤维膜（如PVDF或PTFE）允许水蒸气通过，同时保留液相和溶解盐。纳米纤维的高孔隙率提供了良好的热阻，减少了传导热传递，提高了脱盐过程的能量效率。在水处理中，纳米纤维基滤材还用于去除重金属、全氟和多氟烷基物质（PFAS）、微塑料、病原微生物以及油水混合物。纳米纤维与人体细胞外基质（ECM）的相似性使其适用于生物医学应用，如细胞粘附和增殖的支架、药物递送系统中的控释储库、以及伤口敷料。在防护服中，纳米纤维形成致密多孔屏障，可阻挡有毒粉尘和微生物，同时允许汗蒸汽渗透，促进体温调节。碳纳米管或石墨烯的加入可增强拉伸强度，并赋予抗静电和紫外线（UV）防护性能。光催化纳米纤维可用于制造在阳光下能降解污渍和病原体的纺织品。集成纳米传感器可实现实时监测生命体征。纳米纤维生产的一个主要批评是对石油基聚合物和有毒有机溶剂的依赖，但近期研究已转向绿色聚合物和可持续制造方法，如使用纤维素、壳聚糖和聚乳酸（PLA）等天然聚合物，这些材料在服务寿命结束后可生物降解，不降解为持久性微塑料。

**用于生产纤维滤材的材料**
研究中使用了多种聚合物来制造纤维和纤维膜，包括合成聚合物和天然聚合物。合成聚合物实例包括PLGA、聚氨酯树脂、PET、PVB、PAN、PP和PVP。天然聚合物包括PLA、SPI、PAA和HAP。在某些情况下，使用了合成和天然聚合物的组合。一些研究还使用陶瓷和复合材料来生产纳米纤维。聚合物纳米纤维因其可调化学组成、良好柔韧性、成本效益、易功能化、化学和热稳定性以及多种制造方法而更为常见。陶瓷纳米纤维具有优异的热和化学稳定性、高机械强度和刚度，但生产难度和成本较高，且脆性导致柔韧性和可加工性有限。复合纳米纤维旨在结合不同材料的优点，具有更好的机械、热、化学稳定性和过滤效率，但生产成本可能更高，生产过程更复杂。

**纤维制造方法和工艺**
大多数研究使用电纺丝法生产纤维，但也有一些研究使用其他方法，如雾化和热干燥、熔喷、真空过滤和湿纺技术。一些研究同时使用电纺丝法结合互补方法。电纺丝是一种广泛使用的纳米纤维生产方法，因其多功能性和可赋予所得材料独特性能。该方法可生产连续纤维，适用于多种材料，如聚合物、复合材料和陶瓷，通过向聚合物溶液或熔体施加高压。电纺丝相对简单、多功能且成本低，可产生高比表面积纳米纤维，并精确控制纤维形态。然而，电纺丝也存在缺点，如高电压要求、使用有害溶剂、生产率有限以及控制纤维取向困难，这促使了其他纳米纤维生产方法的使用。

**将纳米材料添加到纤维滤材中的方式**
研究中使用的纳米材料以嵌入和涂覆两种形式添加到纤维滤材中。通过嵌入纳米材料对纳米纤维进行功能化是开发先进材料的关键过程，将纳米材料加入纳米纤维基质中，可显著改变其性能，如机械强度、电导率和化学反应性。在此方法中，纳米材料在纳米纤维生产前加入基质中，实际上是纳米纤维生产的原材料的一部分。通过嵌入制造纳米纤维的方法包括同轴电纺丝、原位合成、后纺丝处理和熔融共混。通过涂覆纳米材料对纳米纤维进行功能化是另一种有效方法，可通过浸涂、旋涂、层层自组装和静电自组装等技术实现，导致纳米材料薄层均匀覆盖纳米纤维表面。涂覆纳米纤维相对简单，可放大生产，允许精确控制纳米材料层的分布和厚度，且不改变纳米纤维结构，保留其原始性能。但涂覆层可能与纳米纤维相互作用弱，随时间推移可能脱落，降低有效性并可能引发健康、安全和环境问题。嵌入纳米材料则允许纳米纤维与纳米材料之间的强相互作用，增强组合性能，纳米材料分散在纳米纤维基质中，导致更均匀分布，增强机械强度。但嵌入需要更复杂的制造过程，可能难以放大生产，且嵌入过程可能降解纳米纤维结构。

**寻求改进的纤维滤材特性**
文献综述表明，研究人员通常寻求改进滤材的四类特性和效率：物理、化学、机械和生物。物理特性包括提高过滤效率、降低压降、改善热性能、改善电性能和降低气流阻力。使用纳米材料可通过增加比表面积、提供电荷表面增强静电相互作用、增强传统过滤机制（拦截、扩散和惯性碰撞）以及提供自清洁性能来提高过滤效率。具有高热稳定性的纳米材料（如陶瓷纳米粒子、CNTs和石墨烯）可提高滤材的热稳定性。纳米材料可增加滤材整体厚度，同时保持高孔隙率，提供更大的深度过滤能力。机械特性方面，研究人员寻求提高耐久性、稳定性、完整性、拉伸强度、抗磨损性和形态。纳米材料如CNTs或石墨烯可显著增加拉伸强度；纳米粘土或纤维素纳米晶体可改善柔韧性和抗冲击性；纳米材料可提高尺寸稳定性；疏水纳米涂层可防止水分吸附；纳米凝胶颗粒或纳米纤维可赋予振动和冲击吸收能力；纳米材料可减少纤维间距，增强耐流体压力能力。化学特性方面，最重要的改进包括抗氧化性、有毒气体检测和催化性能。某些纳米材料（如铂或钯纳米粒子）可催化污染物分解；无机纳米材料（如金属氧化物或纳米粘土）可增强化学耐受性；MOFs、沸石或活性炭纳米粒子具有特殊吸附能力；疏水纳米涂层可防止水或油附着；纳米材料可赋予抗生物降解性；纳米材料可设计具有特定化学亲和力以实现选择性捕获。生物特性方面，研究人员试图创造和改进抗菌（抗病毒、抗菌、抗真菌）性能、生物降解性和自清洁性。纳米材料如银纳米粒子、氧化铜纳米粒子和氧化锌纳米粒子表现出强抗菌性能；纤维素纳米晶体或某些生物聚合物基纳米粒子可使滤材更易生物降解；纳米材料可提高抗生物污损性。

**用于增强纤维滤材的纳米材料**
根据试图创造或改进的特性多样性，研究人员使用了各种纳米材料。金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子、碳基纳米材料、生物基纳米材料、MOFs和壳聚糖是这些研究中最重要的纳米材料。某些金属氧化物纳米材料（如TiO₂和ZnO）可表现出光催化性能，在紫外光下产生反应性氧物种，分解有机污染物。一些金属氧化物纳米材料（如Ag₂O和CuO）具有抗菌性能。金属氧化物纳米材料的高比表面积和独特表面性质可提高吸附能力。金属纳米材料（如Cu和Ag）可增强热和电导率，并改善机械性能。金属氧化物纳米材料可定制纤维滤材的孔结构。碳基纳米材料与其他功能性纳米材料（如金属氧化物或金属纳米材料）的组合可产生协同效应，增强吸附、催化和抗菌性能。例如，与TiO₂结合时可增强光催化性能；石墨烯氧化物具有抗菌性能；CNTs具有优异强度可增强材料；活性炭具有高吸附能力；某些石墨烯基材料可表现出催化性能。MOFs可设计具有多种功能基团或客体分子，实现吸附、催化和抗菌等多重任务；许多MOFs可再生；MOFs可具有高选择性吸附能力；MOFs具有极高比表面积（1,000-10,000 m²/g）。生物基材料（如纤维素、蛋白质和天然植物纤维）经化学改性后，为纤维滤材应用提供了可持续替代品，不仅提供环境效益，还表现出增强的机械和热性能。例如，纤维素、甲壳素、丝、大豆和角蛋白等因天然丰富、可生物降解和可调表面化学而被使用。大麻、亚麻和洋麻等纤维因其低成本、生物降解性和良好机械性能而被利用。生物基纤维用于HEPA滤材和其他过滤系统，如玄武岩纤维和纳米纤维素制成的HEPA滤材展示出高效率和可生物降解性。

**挑战与前景**
尽管在开发用于增强纤维和纳米纤维基滤材的纳米材料方面取得了显著进展，但几个关键挑战仍阻碍其大规模生产和工业应用。主要限制之一是制造可扩展性，特别是在电纺丝等技术中。尽管电纺丝在实验室规模下能有效生产均匀纳米纤维，但工业实施因生产率低、能耗高、对环境条件敏感以及需要精确控制参数而受到挑战。多喷头和针头式电纺丝系统部分解决了产量限制，但引入了纤维均匀性和过程稳定性问题。另一个关键挑战涉及材料性质限制和兼容性问题。将纳米材料掺入纤维基体可能因界面粘附不足而负面影响机械强度、柔韧性或长期耐久性。纳米粒子团聚或功能添加剂分布不均可能导致性能不一致、孔堵塞或膜过早失效。当将无机纳米材料与生物基或可生物降解聚合物结合时，由于表面化学和热稳定性差异，该问题更加突出。溶剂选择和环境问题仍然是重要关注点。许多高性能纳米纤维仍依赖有毒有机溶剂，对健康和环境构成风险，并增加大规模制造的监管审批复杂性。尽管近期研究越来越多地关注绿色溶剂、熔融电纺丝和无溶剂制造路线，但这些方法在纤维形态控制和过滤效率方面常面临权衡。此外，纳米材料改性滤材的长期稳定性和安全性存在未解决的挑战。纳米材料在操作、清洁或处置过程中可能浸出或意外释放，引发环境污染和人类暴露的担忧。某些纳米材料因其小尺寸和高反应活性可能在环境中持久存在并在生物体中生物累积，可能破坏生态系统，并通过食物链生物放大。纳米材料产品的处置不当可能导致环境污染，如纺织废弃物中的纳米材料需要更好的法规。未来研究应优先开发成本效益高、可扩展且环境友好的制造技术，并兼容现有工业基础设施。表面功能化策略、原位纳米材料合成和生物基纳米复合材料的进展可能改善材料兼容性和性能一致性。此外，集成智能和响应性纳米材料（如自清洁、抗污或自适应过滤行为）代表了下一代纤维和纳米纤维过滤系统的有前景方向。

**结论**
从关于纳米材料在纤维滤材中应用以提高滤材效率和性能的文献综述中可得出结论：纳米材料在滤材中的应用是一种新颖策略，具有开发先进和针对性过滤系统的巨大潜力。结果证实，自2008年以来该主题大幅扩展，中国、韩国、印度、伊朗和美国积极参与，并存在国际合作。利用各种纳米材料（如金属基、金属氧化物、碳基、MOFs和壳聚糖）促进了滤材物理、化学、机械和生物特性的精确调控。这种多功能性主要通过电纺丝和其他纳米纤维制造技术实现，突显了纳米材料满足广泛过滤应用特定需求的显著能力。参数表明，纳米材料类型、尺寸、形状和数量的选择不仅提高滤材效率，还引起生产成本、长期稳定性和环境影响方面的担忧。例如，TiO₂和ZnO等金属氧化物纳米材料因其光催化和抗菌活性而被广泛认可，而MOFs因其高比表面积和可回收性而成为滤材改性的理想候选。然而，该策略的可行性取决于在性能与工业可行性之间取得平衡。最后，本研究说明，如果未来研究克服技术和经济限制，纳米材料的战略性应用可产生更高性能和更多功能的纤维滤材。该技术不仅有可能改善多个行业中的过滤质量，还为纳米技术的可持续进步开辟了机遇。未来纳米材料改性纤维和纳米纤维滤材的研究重点包括：可扩展且成本效益高的制造技术，特别是开发高通量、节能的替代电纺丝方法，并兼容工业生产；长期性能稳定性和耐久性，包括在真实操作条件下对机械降解、污损、老化和重复清洁循环的耐受性；环境和健康安全评估，特别关注操作、再生和寿命终止过程中纳米粒子释放，以及浸出和生命周期分析的标准测试协议；开发环境友好和生物基纳米材料，以减少对石油基聚合物和有毒溶剂的依赖，同时保持高过滤效率；设计多功能和智能过滤系统，整合自清洁、抗污、抗菌或响应性行为，以延长滤材寿命和性能。解决这些优先事项对于将实验室规模进展转化为稳健、可持续且商业可行的过滤技术至关重要。