空气过滤用纳米纤维膜研究进展

殷妮　刘福娟

摘 要：面对日益严峻的环境危机，空气过滤用纳米材料的研究成为热点。其中纳米纤维膜质轻，可加工性强，具有高效低压、容尘量大和使用寿命长的特性。本文介绍了纤维滤膜过滤污染微颗粒（PM2.5）性能的相关参数，并根据物理机制和静电机制两大原理，分别总结了近年来以物理机制和以静电机制为主的结构依赖型纳米纤维滤膜和静电依赖型纳米纤维滤膜，阐述了各类滤膜的材料、制备方法和应用性能。同时结合近年研究趋势探讨了纳米纤维滤膜在抗菌、耐高温等领域的研究进展，最后对纳米纤维滤膜的发展前景进行了展望。

关键词：纳米纤维;过滤膜;空气过滤;过滤机理;静电吸附;PM2.5

中图分类号：TQ340.79

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）05-0026-11

Research Progress on Nanofiber Membranes in Air Filtration

YIN Ni， LIU Fujuan

（College of Textile and Clothing Engineering， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract： Considering increasingly serious environmental crises， the research on nanomaterials for air filtration has become a hot spot. Among them， nanofiber membranes have the characteristics of light weight， strong machinability， high efficiency and low pressure， large dust capacity and long service life. In this review， parameters related to the filtration performance of the nanofiber membranes for polluting particles （PM2.5） were introduced. And then according to the two principles of physical mechanism and electrostatic mechanism， the structure-dependent and electrostatic-dependent nanofiber membranes dominated by physical mechanism and electrostatic mechanism in recent years were summarized， including the materials， preparation processes and application performances of various fiber membranes. At the same time， combined with the research trends in recent years， the research progress of nanofiber membranes in the fields of antibiosis， and high temperature resistance， etc. was discussed. Finally， the prospect of nanofiber membranes was envisaged.

Key words： nanofiber; filtering membrane; air filtration; filtering mechanism; electrostatic adsorption; PM2.5

空氣质量的持续恶化成为人们不得不正视的问题，空气中悬浮的微米级和亚微米级颗粒（如PM2.5）作为最具代表性的大气污染物能在大气中长时间停留，进而对人体造成不同程度的影响。其尺寸小到足以侵入人体内部而难以清除，损害支气管与肺部，对呼吸系统和心血管系统造成伤害，导致如呼吸系统疾病、脑血管疾病、鼻炎甚至致癌[1-6]。最近，世界卫生组织将PM2.5列为一级致癌物，若长期接触PM2.5及更小颗粒会显著增加患癌风险[1，7-8]。据世界卫生组织（WHO）报道，平均每年有90%的人遭受污染空气的毒害，致使七百多万人过早死亡，尤其是对儿童[9]。

生产发展的迫切需求和环境恶化面临的现状，促进了空气过滤材料的生产技术进步及产品质量发展，尤其是纤维类空气滤材。目前市面有售的高效空气过滤器可以有效除去直径0.3μm以上的颗粒，然而却难以除去粒径更小的颗粒。因此，相关学者和同行技术人员致力于寻找能高效去除0.3μm以下颗粒的过滤介质，其中纳米纤维材料具有不可替代的优越性：a）纳米纤维具有直径小、均一性好和比表面积大的特点，同时纳米纤维膜具有高孔隙率和高通量，纤维之间形成微米和亚微米级的连贯的孔洞，拥有较高的空气透过性[10];b）根据自由分子流体系理论，空气里的分子平均自由程为几十纳米，当超细纳米纤维（100nm以下）的直径与之相当时，经过纳米纤维膜表面的气流会产生滑移效应，如此可减少气流通过纤维膜所产生的阻力和降低过滤压降损失;c）由于纳米纤维表面能高，极易与化学官能团或功能性物质相结合，方便制备应用面更广的多功能空气过滤材料;d）纳米纤维生产成本低，材料来源广泛，可纺品类繁多，竞争力非常强。鉴于此，尽管对纳米纤维的过滤性能研究仍然不够成熟，但是纳米纤维过滤膜（以下简称“纳米纤维滤膜”）是值得长期关注的热点。

本文介绍了纤维滤膜过滤污染微颗粒（PM2.5）性能的相关参数，并根据物理机制和静电机制两大原理，分别总结了近年以物理和以静电机制为主的结构依赖型纳米纤维滤膜及静电依赖型纳米纤维滤膜，阐述了各类滤膜的材料、制备方法和具体性能。同时结合近年研究趋势探讨了纳米纤维滤膜在抗菌、耐高温等领域的研究进展，最后对纳米纤维滤膜的发展提出展望。

1 纤维过滤膜基本介绍

颗粒物（Particulate matter， PM）是悬浮在空气中的固体颗粒、液滴的混合，根据其气动特性的大小，一般可分为PM2.5（直径小于2.5μm）和PM10（直径小于10μm）。通常，气溶胶颗粒的去除是一个动态的过程，涉及颗粒物与纤维之间的拦截效应、惯性沉积、扩散效应、重力作用和静电吸引（图1）。在过滤的初始阶段，纤维滤膜的过滤效率和过滤压降保持稳定，当纳米颗粒积累到一定水平时，由于纤维滤膜表面被PM2.5等颗粒堵塞，造成过滤压降急剧上升，过滤效率下降[11]。一般来说，颗粒累积重量、膜表面形貌及单纤维收集性能都会影响纤维滤膜的性能。为了合理评估纤维滤膜对气溶胶颗粒的应用性能，长期的研究工作已形成了表征膜相关性能的参数，如过滤效率、过滤压降以及品质因子。

过滤效率与过滤压降是纤维滤膜最基本的性能，一个出色的纤维滤膜应同时具有高过滤效率和低过滤压降。对于纤维过滤膜的过滤效率表征，有两种表达式。其中一种常见于实验室计算纤维滤膜实际过滤效果，如式（1）：

E/%=（1-C0Cin）×100（1）

式中：E是纤维滤膜的过滤效率，%;C0和Cin分别是过滤前后空气中颗粒物的质量浓度，μg/m3。

另一种建立在单纤维过滤理论上，根据已有的参数预测纤维滤膜的过滤效率，表达式见式（2）[13]：

E/%=1-exp-4ηαLπdf（1-α）（2）

式中：η是单纤维过滤效率，α、L、df分别是纤维堆积密度、纤维滤膜的厚度和纤维直径。

由式（2）可以看出，纤维滤膜的过滤效率E与α和η成正比，与和df成反比。理论上，根据这些参数可以推测出纤维滤膜的过滤效率。尽管每种作用力对纤维滤膜的过滤效率可以分别计算出来，但是由于过滤机制本身的复杂性，其综合过滤性能并不是每种单独作用力的简单叠加。此外，式（2）建立在理想条件下，实际应用时几乎不可能满足所有理想假设，由此预测的纤维滤膜理论过滤效率必然与实际效率不符，但该式为理解纤维滤膜过滤原理奠定基础，提供了合理结构过滤膜的设计思路。此外，纤维滤膜的过滤性能除受纤维膜本身和微颗粒的性质影响外，还会受外界因素，如空气流速、湿度等的影响。过滤效率随着风速增加而降低，这是因为空气流速的增大会缩短颗粒在纤维滤膜内部滞留的时间，从而减少了颗粒通过布朗运动与纤维相互作用的机会[14]。对于以静电捕获为主机制的驻极体纤维滤材，Lee等[15]认为材料的吸湿有利于导电，因此回潮率较高的驻极体更容易受到湿度的影响。水分子在被聚合物吸收时，会影响偶极子和载流子的迁移率，从而影响纤维的过滤性能[16]。

过滤压降是纤维滤膜另一个重要的参数，它反映了气流通过每根纤维的阻力总和。其理论表达见式（3）：

ΔP=μLU0f（α）d2f（3）

式中：μ与U0分别是气流黏度与气流流速，L/min。

显然过滤压降与U0成正比，与d2f成反比，在其他条件保持不变时，纤维直径较大时过滤压降变化会大幅减小，但根据式（2）直径增大会使过滤效率减小，高过滤效率与低过滤压降似乎难以平衡。然而，对于纳米纤维组成的纤维滤膜而言，纤维直径可以足够小，Li等[12]介绍了当纤维直径远小于气体分子的平均自由程时，纤维周围的气体流场处于“自由分子流机制”（Free molecular flow regime， FMF regime）状态，该状态下气体流滑移较大，纤维对气体流道的影响较小，过滤压降损失便大大减小，有利于气流顺利通过。

品质因子（Quality factor， QF）通常用来综合评价过滤介质的过滤性能。见式（4）

QF=-ln（1-η）ΔP（4）

品质因子实际上是过滤效率和过滤压降的比值。纳米纤维滤膜比起传统的纤维过滤材料拥有较高的过滤效率和较低的过滤压降，即有较高的品质因子，因此，其拥有更好的过滤性能。近年来，纳米纤维过滤材料的研究已取得许多进展，但是大部分研究集中于纤维的高效低阻性能，然而品质因子不是衡量过滤材料综合性能的唯一标准，纤维滤膜的机械性能、容尘量、循环性能、抗菌性、耐高温在实际应用中同样重要。

如前所述，在没有电场力加持的情况下，纤维滤膜对颗粒物的捕获是拦截效应、惯性沉积、扩散效应、重力作用这4种力协同作用的结果。根据作用力机制的不同，目前研究的纳米纤维滤膜可分为结构依赖型和静电依赖型，下面将分别展开介绍。

2 结构依赖型纤维滤膜

2.1 串珠结构

串珠结构是静电纺丝纤维中由于聚合物溶液的喷射破碎（Rayleigh instability），聚集態沿着纤维轴线呈椭圆形突出的一种典型形态[17-18]。它们的存在有助于优化纳米纤维滤膜的堆积密度以降低过滤压降，还可以改善其比表面积，然而，微珠结构对纤维膜厚度、填充密度和空气过滤性能的影响尚不清楚。Wang等[19]制备了一种多孔串珠结构纳米纤维滤膜，该膜的大珠结构表面存在中空结构，大珠结构优化了纳米纤维滤膜的堆积结构，提高了细颗粒物的深度过滤，珠表面的中空结构也有利于颗粒的吸附，当表面速度为5.8cm/s时，过滤效率高达99.997%，过滤压降为165.3Pa。Kadam等[20]通过静电纺丝法制备了上层为光滑纳米纤维，下层含有串珠的双层电纺纤维膜（简称“BB”）。BB膜基重为0.5g/m2，其过滤性能（E=95%;ΔP=112Pa）与商业用P2型呼吸面罩（E=94%;ΔP=120Pa）相当。与此同时，通过制备反向堆积的电纺纤维膜BT（即下层纤维膜为纳米纤维膜，上层含有串珠结构），发现尽管纤维直径与双层膜的基重相当，但BT表现出比BB更大的过滤压降，这意味着反向堆积会影响电纺纤维膜的堆积密度与厚度，从而影响过滤压降，这对多层纳米纤维滤膜的结构设计具有启发意义。

2.2 表面微形貌

纳米纤维表面微结构处理会增加表面粗糙度，使气溶胶颗粒在纤维表面滞留的时间延长，从而提供了很高的空气过滤效率，并获得了气溶胶颗粒在纤维表面的强附着力。Al-attabi等[21]将正硅酸乙酯（TEOS）掺杂到聚丙烯腈（PAN）溶液中，成功制备了具有起皱结构的纳米纤维复合膜。实验发现TEOS/PAN复合膜的BET比表面积是纯PAN膜的两倍，TEOS加入PAN纳米纤维膜提高了纤维表面粗糙度，在相同的情况下空气过滤效率增加，QF值也随之增大。另外，Li等[22]通过对PC和PP的不相容性和黏度差的巧妙设计制备了复合纳米纤维膜，其中的纳米纤维PP平均直径（0.63μm）比单成分纤维膜（PP， 5.95μm）更低，并形成独特的树皮状沟槽（图2）。研究表明复合膜PP/PC的品质因子（0.036Pa-1）是纯PP膜（0.017 Pa-1）的近2.12倍。特殊的沟槽结构不仅增加了膜的比表面积，从而增加了PMs与纤维的接触面积，而且促进了PMs的截流，对过滤性能的提高具有重要意义。此外，利用溶剂溶解差异性也可以用于生成纳米褶皱结构，Huang等[23]采用溶剂蒸汽退火处理成功制备出具有清晰的片状花瓣结构的PCL/PEO复合纳米纤维膜，通过调整纳米纤维滤膜的表面结构和纤维厚度，纳米纤维滤膜在质量较差的空气条件下对PM2.5的去除率达到80.01%。尽管没有可以具体量化的计算公式，但表面微结构的存在的确增加了纳米纤维膜的表面粗糙度，改善了过滤效率与阻力压降的平衡问题。

2.3 多层复合结构

通常，由单一成分组成的纳米纤维膜直径分布集中，纤维之间形成的孔隙分布比较均匀孔径大小分布窄，这对气溶胶微颗粒的过滤是不利的。因为当纤维间空隙孔径分布集中在某一范围内时，对于直径远小于该孔径的微颗粒，纳米纤维膜显得束手无策。据多次报道，将纳米纤维膜引入大孔隙纤维膜可以显著降低最易穿透粒径（MPPS，过滤效率最低时的颗粒直径），同时保证较低的过滤阻力，以此提高大纤维膜的QF值[14，24]。此后，Li等[25]制备了具有梯度纳米结构的分层碳纳米管（CNT）/石英纤维（QF）纳米纤维滤膜，其中CNT的含量沿过滤方向呈指数下降，同时提出了“梯度纳米结构过滤”的概念。因为他们发现具有梯度纳米结构的CNT/QF纳米纤维滤膜的放置在动态过滤过程中对过滤性能起着非常重要的作用。研究发现当富含CNT的一面放在下层时，CNT/QF纳米纤维滤膜的过滤压降上升的速度要比纯QF纤维滤膜的阻力压降慢得多。相反，当将富含CNT的一面放置在上层时，与将富CNT的一面放置在下层相比，CNT/QF过滤器中的过滤压降增加，使用寿命降低了140%。由此进一步得出结论：“GNF”的概念可以通过沿过滤方向由低到高密度梯度沉积纳米纤维来实现。这类纤维滤膜的优点是它集高效、低过滤压降和高使用寿命于一体。除了双层设计，Podgorski等[26]提出了三层纤维滤膜设计用于出去含有纳米颗粒的气溶胶。其结构依次为底层、中间层和顶层，底层为密集堆积的粗纤维组成的支撑层，确保纤维滤膜具有适当的机械强度和耐久性;由纳米纤维组成较厚、更多孔的中间层，用于精确捕获最具穿透力的亚微米级颗粒;以及由几微米直径的纤维组成的顶层，收集更大的微米颗粒，保护中间层免受堵塞。另外，余佳鸿[27]探究了复合膜的过滤性能，采用组合工艺法形成“无纺布-纳米纤维-无纺布”复合膜结构，在PET无纺布上沉积静电纺丝得到的微量串珠纳米纤维PVDF，之后以胶黏方式在PVDF表面再复合一层PET无纺布，研究发现纺丝时间较短的复合滤料样品具有更好的过滤性能，同时指出纺丝时间并不是越长越好。作为静电纺丝的一个重要工艺参数，纺丝时间决定了纤维膜的堆积密度及孔隙大小与分布，从而影响着纳米纤维滤膜的过滤效率与过滤压降。因此，制备纳米纤维时应当综合考虑过滤压降和过滤效率之间的矛盾关系，结合复合滤料的其他重要性能综合考量，找到一个最佳值或者较为合适的参数范围。

总的来说，在结构依赖型纳米纤维滤膜中，增加纤维滤膜比表面积能加强纤维滤膜对微颗粒的附着力，延长气流在纤维内部的流通路径可以增加微颗粒被捕获的几率。纤维内部大颗粒的存在能扩大纤维间孔隙的直径，有利于缓解过滤前后过滤压降的上升。在上述几种纳米纤维滤膜中，串珠结构对提高纤维内部空间结构具有启发意义，表面微结构处理虽然能在一定程度上提高纳米纤维滤膜的过滤性能，但不利于长期使用、循环使用，多层复合结构存在加工过程复杂化的问题，因而如何设计合理的结构达到高效率和低过滤压降的平衡、简化生产工艺仍需做出更多的努力。

3 静电依赖型纤维滤膜

为了提高细小颗粒物的过滤效率，传统纤維滤膜会减小纤维直径，但不可避免地造成过滤压降呈指数上升。研究表明，纤维滤膜表面电荷会增加对细小颗粒物的吸附作用，同时不影响气流通过纤维的阻力。目前针对静电作用吸附微颗粒的突出优势，发展了驻极体增强滤材、纳米纤维/带电介质、摩擦生电纳米滤材等一系列静电依赖型纤维滤膜。

3.1 驻极体增强滤材

驻极体是指那些能够长期储存空间电荷和偶极电荷的电介质材料。驻极体的电荷可以是真实电荷（或称空间电荷），也可以是偶极电荷，或者两者都有。驻极体空气过滤材料就是利用表面电场捕集气溶胶微颗粒，而电场强度与驻极体滤材表面电荷量和配置有关[28]。驻极体增强滤材首先要求储存电荷密度大，确保足够的场强，另外还要所存储电荷保持长期稳定。目前主要的驻极方法有静电纺丝法、电晕放电法、摩擦起电法、热极化法、低能电子束轰击法等。由于具有低阻高效的特点，驻极体成为了最具发展前景的过滤材料之一。BaTiO3是具有优良介电性能的静电驻极材料，王西贤等[29]以BaTiO3作为驻极体，结合力学性能、耐热性能优异的PVDF，制备了复合驻极纳米纤维膜PVDF/BaTiO3。研究不同成分、不同纺丝时间的纳米纤维滤膜表明，最佳的PVDF/BaTiO3驻极纳米纤维膜表现出369mm/s的透气率，4672.79g/（m2·d）的透湿量。更重要的，其过滤效率为76.8%时过滤压降仅为11.76Pa，品质因子最高达0.1242。Lee等[30]将电纺聚苯并咪唑（PBI）纳米纤维沉积于PE纱网上用于防尘口罩或其他高性能过滤器。实验将PBI与PVA和Nylon-6纤维的过滤性能作比较（图3），利用密度泛函理论（DFT）计算证实了PBI纳米纤维滤膜的高偶极矩：PBI（6.12）>Nylon-6（3.31）>PVA（1.00）。经测量，PBI纳米纤维滤膜在过滤压降为130Pa下表现出98.5%的过滤效率，而市面上具有类似过滤效率的纤维滤膜其过滤压降高达386Pa。由于PBI的高偶极矩，在不影响过滤压降的情况下提高过滤效率，其品质因子（0.032）比商用纤维滤膜（0.011）高出约3倍。Liu等[31]采用静电纺丝法制备了聚氨酯/氮化硅（PU/Si3N4）驻极体纳米纤维膜（图4），和同样采用静电纺的聚氨酯/勃姆石，聚氨酯/二氧化硅以及聚氨酯/二氧化钛等纤维膜相比，其直径分布较窄，最小为350nm。将PU/Si3N4纤维滤膜应用于纱窗，测量显示在低面密度的空气流速下该膜保持高过滤效率（79.36%）和较低的过滤压降（25Pa），还显示出良好的透光率（40%）和透气性（46.42mm/s）。

虽然駐极体增强滤材展现出优越的低阻优势，但电荷密度损失严重限制了驻极体过滤材料的发展。已经证明，驻极体过滤材料暴露在热、湿度和溶剂中会导致过滤性能的恶化，材料的导电性还会受到材料的亲水性的影响[16]。一般而言，由非极性材料组成的同质驻极体，导电性和吸湿性均较差，因此能维持较稳定的电荷[32]，鉴于此，非极性聚合物如聚烯烃（PO）有望成为驻极体材料的良好候选[33-34]。

3.2 纳米纤维/带电介质

与驻极体增强材料不同，当纳米纤维含有如导电基质、导电金属等导电介质时纤维将获得导电性，在外加电源作用下能产生足够大的电场，通过静电作用吸引微颗粒。在现有金属中，铝在价格稳定性和单位成本导电性方面是接近理想的材料，如Choi等[35]展示了一种基于铝涂层导电纤维的过滤膜高效去除带电微颗粒策略，该工作使用铝前驱体油墨AlH3{O（C4H9）2}使浸泡在内的商用聚酯滤材获得导电性，材料显示较低的表面电阻（<1.0 Ω/sq）。通过带电纤维与微颗粒间的静电作用，所得导电滤膜对30～400 nm的微颗粒的去除率高达99.99%，同时，在10 cm/ s风速条件下，材料表现出4.9 Pa的低过滤压降，品质因子与容尘量分别为2.2 Pa-1和12.5 μg/mm2。更重要的是，被水清洗后，导电滤材的过滤效率和过滤压降可以完全恢复，这表明其良好的可回收性。这项工作预示着通过导电纤维过滤材料去除PMs的新方法，在低成本和节能的空气质量应用中具有很高的吸引力。

3.3 摩擦生电纳米滤材

静电吸附法通过产生高电场对微粒进行吸附与捕获，尽管优势十分显著，但缺点之一是不可避免地使用空气电离，从而产生臭氧，这是一种危害人体健康并可能致癌的气体;其次随着吸附过程持续，大量的电能消耗增加了过滤成本。因此，利用摩擦电效应的空气过滤器同样极具研究价值，研究证明其在保持空气渗透性的同时具有很高的过滤效率[36-38]。通常在空气过滤材料中有两种方法摩擦起电，一种是连接摩擦纳米发电机（TENG），另一种是使两种摩擦电性不同的材料互相摩擦起电。TENG基于摩擦电和静电感应效应并从各种机械运动中获取能量，最大的优点之一是大开路电压，通常高出电磁发电百倍[39]。此外，TENG避免了电离周围空气，因此不会产生臭氧。Gu等[36]使用一种高效旋转摩擦电纳米波发生器（R-TENG）用于增强聚酰亚胺（PI）纳米纤维的过滤性能。PI电纺纳米纤维膜对粒径大于0.5μm的颗粒具有很高的去除率，连接R-TENG后对粒径小于100nm的颗粒去除率提高，其中对直径为33.4nm颗粒过滤效率最高为90.6%，对直径为76.4nm的颗粒过滤效率由27.1%提高到83.6%。可见，摩擦电效应对颗粒物过滤有积极地提升作用。尽管如此，TENG/纳米纤维滤膜的显著特点在于电荷发生单元与滤膜分开，这限制了其在某些场合的应用。Han等[40]报道了超薄聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）纳米纤维空气过滤膜，在铁电和摩擦电耦合作用下过滤PM1.0的性能。这项工作中使用的PVDF-TrFE呈现出3种不同的相（图5（b）），分别为α、β和γ相，其中从β相可以观察到较高的电偶极矩。因此通过较高的外电场驱动PVDF-TrFE的极化使其呈现β相。更重要的是，摩擦电负性的PVDF-TrFE滤料层通过摩擦带电增强了其表面静电电位，能提高PVDF-TrFE复合滤膜的过滤效率和品质因子（QF）（图5（a））。透光率为65%的超薄透气PVDF-TrFE滤膜在极化后的PM1.0过滤效率大于88%，随后，摩擦带电后对PM1.0的过滤效率进一步提高到约94%。此外，由于低过滤压降（63Pa），即使在没有单独强制空气循环系统的自然通风条件下，该纤维滤膜也可以有效除去亚微米级颗粒。

静电依赖性纤维滤膜作为最有发展前景的空气过滤材料之一，但同时也面临着电荷损失的问题。如驻极体增强滤材中，电荷损失仍是亟待解决的问题。影响驻极体电荷损失的因素有很多，如材料介电性能、吸湿性与回潮率、周围环境湿度。同样地，摩擦电增强作用也仅在摩擦电发生周期内有效。在未来，如何缓解或规避电荷减弱对纳米纤维滤膜使用寿命、过滤性能的影响还有很多工作要做。

4 多功能纳米纤维滤材

空气过滤材料的应用范围很广，从个人防护用具到室内空气净化，以及来自汽车尾气、煤炉尾气等高温气体的过滤，都对纤维滤材提出了更高要求。附加功能的高效滤材的开发是近年来的研究热点和重点。下面简述目前报道的关于耐高温、抗菌以及可重复使用的多功能纤维滤膜。

大气中存在大量PMs颗粒，很大一部分来自电力、冶金、水泥等工业生产过程中排放的高温气体[41]，煤炉的废气温度通常在70～180℃，冶金和水泥厂的废气温度在160～320℃[4243]，而普通纤维过滤膜通常只能承受高达100℃的温度。为此，许多研究报道将耐高温材料引入纳米纤维滤膜，如聚酰亚胺（PI）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚砜酰胺（PSA）、氧化铝（Al2O3）、碳纳米管（CNT）等[44]。Li等[45]报道了一种简单、可扩规模生产的耐高温聚酰亚胺（PI）纳米纤维滤膜，该膜具有较高的热稳定性、优异的机械性能，当面密度为7.71 g/m2时室温下过滤效率高达99.73%，过滤压降相对较低（83.3Pa），而面密度为6.61 g/m2的PI纳米纤维滤膜可在300℃以下保持97%以上的过滤效率。同时，实验表明PI纳米纤维滤膜在高达420℃高温下具有良好的热稳定性。Yang等[46]采用静电纺丝技术研制了一种新型聚砜酰胺/聚丙烯腈-勃姆石（PSA/PAN-B）复合纳米纤维滤膜，具有较高的过滤效率（可达（99.52%±0.32%））、较低的过滤压降（45.16Pa±1.39Pa）。其中，PSA是一种新型的耐高温聚合物，以其优异的耐热性、耐腐蚀性和化学稳定性受到广泛关注[47]，PSA基纤维可在250℃下长时间使用。因此，实验制得的PSA/PAN-B具有较高的热稳定性（可达约300℃）、良好的力学性能和优异的耐化学性。加入少量PAN可增加PSA的可纺性，而引入勃姆石驻极体则进一步增强了复合纤维的过滤性能。

由于顆粒物PM的组成成分特点，其被拦截在纳米纤维滤膜表面后，存在的各种有机、无机物及水分为微生物的繁殖创造有利条件，如果不及时清理将造成不良后果，纤维滤膜的过滤性能及使用寿命大打折扣，还会造成二次污染，因此，材料的抗菌性也具有很大的研究前景。人们在过滤纤维上沉积抗菌成分以灭活生物PMs，如无机材料（如ZnO2、Al2O3、纳米银）和有机材料（如壳聚糖、苦参）[48-52]。在本文“纳米纤维/带电介质”一节介绍的基于铝涂层导电纤维过滤膜，表面铝层的引入增加了纤维滤膜对PMs颗粒的静电吸附作用。随后，Choi等[52]利用氧化铝（Al2O3）颗粒对微生物的温和抗菌活性，在PET/Al纤维滤膜的铝纳米结构上形成薄氧化层（3～10nm），制备了同时用于高效捕获和灭活微生物的复合纳米纤维滤膜（图6）。通过带电细菌与纤维之间的静电相互作用，在不牺牲过滤压降的情况下，高效（99.99%）收集了大肠杆菌和表皮葡萄球菌，与商用高效微粒空气过滤材料相比，每厚度的过滤压降大约低10倍。随着Al纳米颗粒在纤维上的生长，由于滤膜的疏水性和表面粗糙度增强，其对空气中大肠杆菌和表皮葡萄球菌的抗菌活性分别提高到94.8%和96.9%。更重要的是，PET/Al过滤器在用水清洗后的重复使用中，其捕集性能和抗菌性能依然很高。朱孝明等[53]将改性TiO2分别负载与纺黏材料和熔喷材料，并复合形成高效抗菌的复合纤维材料，复合材料的纺黏层用于提高复合滤膜的拉伸强力，当纺黏材料和熔喷材料的TiO2负载质量分数分别为20%和15%时，复合滤材的综合空气过滤性能较好，其在紫外光照条件下对大肠杆菌（E.Coli）和金黄色葡萄球菌（S.aureus）的抑茵率高达99.07%和99.27%。

由于潜在的成本优势，环境友好性和可重复使用性，过滤材料引起人们的极大关注。Wang等[54]采用浸渍法将银纳米颗粒嵌入电纺二氧化硅纳米纤维中，制备出兼具PM过滤和抗菌性能的柔性多功能纳米纤维膜（Ag@STPNM）。当纳米纤维膜基重仅为3.9 g/m2时，Ag@STPNM对PM2.5的去除率和压降分别达到98.84%和59 Pa。为了考察Ag@STPNM的可重复使用性，测量了5个过滤-再使用循环周期的过滤效率。在循环试验中，PM2.5和PM10的初始浓度分别维持在500和1000μg/m3左右。Ag@STPNM对PM2.5和PM10的去除率均高于99.38%，且无明显衰减（图7（a）），具有良好的回收性能。通过12h的长时间过滤试验进一步评价了Ag@STPNM的稳定性，Ag@STPNM对PM2.5和PM10的去除效率在整个过滤过程中保持稳定（高于99.39%），证明了Ag@STPNM的良好稳定性（图7（b））。

5 展 望

目前关于纳米纤维膜高效低阻性能的改善方面主要有两点，一是优化纳米纤维过滤膜的结构，二是提高其表面电荷密度，均已取得了较好的研究进展。未来，为了设计性能更优化的纳米纤维滤材，需要对两种不同机制的作用机理做更深入的分析，研究影响作用机理的因素，为合理设计双重作用型纳米纤维过滤材料建立基础。促进微颗粒在纤维滤膜上的均匀沉积和深度沉积，不断提高材料的利用率和重复使用性能。

纳米纤维膜具有较小孔径、高孔隙率和大的比表面积，在高效空气净化领域具有巨大的应用前景，开发高效低阻且多功能协同作用的纳米纤维空气净化膜是未来的研究重点，应关注附加的功能性物质对纤维膜结构及基本性能的影响。总之，静电纺丝技术制备纳米纤维可纺种类范围非常广，未来应着力开发经济环保为主的高效低阻的纳米纤维滤膜，提倡绿色经济发展理念，简化生产工艺。

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收稿日期：2020-06-24 网络出版日期：2021-04-15

基金项目：中国纺织工业联合会科技指导性项目（2019010）;南通市科技计划项目（JC2019009）

作者简介：殷妮（1997-），女，湖北咸宁人，硕士研究生，主要从事纳米纤维材料方面的研究。

通信作者：刘福娟，E-mail：liufujuan@suda.edu.cn