空气过滤材料用功能纤维研究进展

孔之奇， 郭大亮， 吴安波， 沙力争， 刘 蓓

空气过滤材料用功能纤维研究进展

孔之奇1， 郭大亮1*， 吴安波2， 沙力争1， 刘 蓓1

（1. 浙江科技学院 环境与资源学院，浙江 杭州 310023；2. 杭州特种纸业有限公司，浙江 杭州 311407）

纤维过滤材料由于其三维结构特性，对空气中的颗粒物具有较高的过滤效率和较低的气流阻力。针对空气过滤材料用功能纤维研究现状，介绍了聚丙烯基、聚丙烯腈基、聚乙烯醇基、聚四氟乙烯基等有机纤维改性方法，指出不同类型纤维用于空气过滤可能存在的问题及改进方法。纳米纤维素纤维作为一种可降解的纤维材料，未来在空气过滤材料将会有重要的地位，综述了它与传统有机纤维和蛋白进行复合改性方法，以期为新型纸基空气过滤复合材料的研究开发提供一定的指导。

空气过滤；功能纤维；纳米纤维素；复合材料

空气过滤材料主要应用于空气净化领域，是将空气中的悬浮颗粒物通过过滤方式进行捕集的特殊材料[1]。生活中，空气过滤材料多被应用于个体防护材料、室内空气净化材料和车用过滤材料[2]。工业上，空气过滤材料多被应用于钢铁、水泥、冶金和化学等工业的粉尘、有机挥发物脱除[1]。

根据颗粒物在空气流中的运动特性，纤维过滤材料由于具有高比表面积以及疏松多孔的三维结构特性，对空气中的颗粒物具有较高的过滤效率和较低的气流阻力[3]。因此，开发功能纤维用于空气过滤材料领域一直是研究重点方向。其中，彭孟娜[1]通过综述空气过滤材料的种类以及国内外发展情况，提出高效过滤滤材未来的研发将向复合膜滤材和高功能滤材方向发展。Souzandeh[4]等人在综述空气污染物特性、空气过滤材料类型和特点后，发现过滤滤材在复合时加入天然聚合物，例如大豆蛋白、明胶等，可以在保证高效率的同时，为过滤材料带来更多特性，实现滤材的高功能性。纤维素纤维作为一种天然聚合物，有着丰富的表面基团和优秀的生物降解性，可用于制备优秀的过滤材料，本文除了综述传统的空气过滤用功能纤维，还将围绕可再生的纤维素纤维展开综述，总结近年以纤维素纤维为材料制备空气过滤用功能纤维的研究进展。

1 空气过滤用有机合成纤维研究进展

目前，空气过滤材料常用的传统功能纤维有聚丙烯基（polypropylene，PP）纤维、聚丙烯腈基（polyacrylonitrile，PAN）纤维、聚乙烯醇基（polyvinyl alcohol，PVA）纤维、植物纤维素（cellulose fiber）纤维、聚四氟乙烯基（Polytetra fluoroethylene，PTFE）纤维，尼龙基（Nylon，PA）纤维和玻璃纤维（glass fiber）。研究显示[4]，单一成分制备的功能纤维用于空气过滤材料时，存在着功能性单一、强度低等不足，特别是传统有机高分子材料不是环保材料，对环境易造成二次污染。其次，目前空气过滤材料对各种污染物的过滤能力有限，主要是由于单一的过滤纤维材料所具有的官能团不能与大气中复杂的污染物均相互作用。因此，开发先进空气过滤材料用功能纤维实现保持低空气阻力下，对多种污染物高的去除效率，是一项具有挑战性的任务。

1.1 聚丙烯基纤维

PP纤维加工工艺简单、成本低廉，且具有较好的耐腐蚀性。但是，PP纤维对环境温度的变化敏感。在制备复合PP纤维时，多运用熔喷技术以期获得比表面积更高、过滤效果更强、纤维直径更小的空气过滤材料[6]。熔喷技术可以使纤维一步形成网状结构，熔喷法制备的纤维直径一般在1 μm～5 μm，相比静电纺丝法仍然有着不小的差距。因此，近年来PP纤维的应用研究主要是改善工艺条件制备出具有特殊结构的纤维，或者与其他物质复合制备改性PP纤维。PP纤维特殊的结构为纤维带来更大的比表面积，以期提供更对的污染物捕集位点，但缺点是更大的制备难度和更低的良品率。复合改性PP纤维在空气过滤过程存在提高压降和增大纤维直径的问题，所以有些学者为了平衡过滤效果与机械性能之间的关系，选择制备为多层过滤材料，以获得高效、低阻的过滤材料。

1.1.1 聚丙烯/聚苯乙烯复合纤维

Deng等[7]以PP和聚苯乙烯为原料，采用一步熔喷技术成功地制备了多尺度微/纳米纤维膜材料，用于高性能空气过滤。研究显示，微米尺度纤维作为骨架支撑材料，提高熔喷非织造布的透气性；纳米纤维作为连接支架，可显著提高纤维材料表面积/体积比，改善纤维材料过滤性能。所得非织造布过滤效率提高，压降降低，空气过滤效率高达99.87%，压降37.73 Pa，品质因数0.18 Pa-1。

1.1.2 聚丙烯/聚碳酸酯复合纤维

Li等[6]采用一步熔融法制备了树皮状聚丙烯/聚碳酸酯（PC）纳米纤维膜材料。研究发现，PP/PC复合纤维平均直径比纯PP纤维小。当PP和PC含量一定时，在纤维制备过程中，PP纤维光滑的表面会形成树皮状凹槽，这个沟槽结构不仅能增加比表面积，还能增强对颗粒物的截留，使得过滤材料的过滤性能大大提升（图1）。

图1 树皮状聚丙烯/聚碳酸酯（PC）纳米纤维，(a)高温螺旋剪切，(b)热风作用[6]

1.1.3 聚丙烯/植物纤维复合纤维

PP材料不容易分解，纤维素纤维具有容易降解、可再生等优点，由纤维素纤维复合PP制备生物相容性好的空气过滤纤维材料，成为近年来的研究热点之一[8]。

叶张龙等[9]以竹原纤维和PP为原料，采用针刺、热轧工艺制作竹原/PP纤维过滤材料，研究了面密度、竹原纤维质量分数及结构对过滤材料性能的影响。结果表明,竹原纤维质量分数的增加，会使过滤材料的孔径增加，从而使其对颗粒物的捕获能力下降；另外竹原纤维质量分数的增加，会使纤维直径增大、比表面积变小，从而使其对颗粒物的吸附能力下降。

总的来说，竹原纤维质量分数的增加会使过滤材料的过滤效率降低，但是，过滤材料的透气率会随之升高。而当保持在合适的竹原纤维质量分数的同时，增加其面密度，会使得厚度增大，纤维间空隙的平均空隙变小，气溶胶粒子扩散路径也变大，气溶胶粒子被截留吸附的几率也因此变大，但是过滤材料的透气率会随之降低。而将低竹原纤维质量分数的材料与高竹原纤维质量分数的材料一起制为多层结构过滤材料则可以避免这些问题，得到高效、低阻的过滤材料，其中低竹原纤维质量分数层起精过滤作用，高竹原纤维质量分数层具有高透气性，并起粗过滤作用。

1.2 聚丙烯腈纤维

相对于PP纤维对环境温度的严苛要求，PAN纤维具有更好的耐高温、低温性能，且PAN纤维具有一定的抗紫外线性能。但是PAN纤维基过滤材料存在易阻塞、易分层和强度低等缺点[10]。PAN纤维的研究主要由两个方向，一个是如何提高污染物捕集效率，另一个是如何改善材料压降。

提高污染物捕集效率的一个有效途径便是增加比表面积，近年的一个研究方向是调整前驱体溶液来改善纳米纤维表面的粗糙度，在表面形成类似褶皱的结构来提供更高的比表面积和更多颗粒吸附位点。也有学者通过调整制备工艺来制备具有特殊结构的纤维，使纤维获得更高的捕集效率，例如在图2的这种纳米纤维过滤材料，具有蛛网结构，可以使透过气流更加均匀，各种粒径大小的污染物颗粒都得到拦截[11]。

图2 有无蛛网状结构的过滤材料捕获颗粒物的动态过程和压力场分布对比[11]

通过静电纺丝将其他物质与PAN纤维复合，可以有效改善材料压降。除此之外，还可以根据复合物质的性质赋予过滤材料其他不同的性能。例如，加入TiO2或凹凸棒石都可以改善过滤材料的压降，而TiO2的加入可以赋予过滤材料抗菌性，凹凸棒石则可以赋予过滤材料吸附有害重金属离子的能力。另外，加入其它物质作为增塑剂，也是工业上想要以PAN为原材料进行熔融纺丝的手段。

1.2.1 PAN掺杂高粘度离子液体复合纤维

近年来，纤维的表面功能改性被认为是提高污染物捕集效率的有效途径之一。其中，在纤维材料表面制备褶皱结构可以有效的提高对颗粒物的吸附、筛分或捕集效果。褶皱结构提供更高的比表面积，增加纤维间的平均距离，还能加强气体吸附，增加粒子在纤维表面的非滑移与滞留，从而减少过滤材料压降，在纤维表面形成强大的粒子粘附力，提高空气过滤效率。

Lin等[12]在制备聚丙烯腈纳米纤维的过程中，引入了一定量的二乙胺磷酸盐（DEAP）配成高粘度离子液体。制得的PAN/DEAP样品，因加入了DEAP，亲水性得到了改善，对PM2.5的过滤性能也得到了一定的强化。Lin认为过滤性能的强化主要得益于两方面，一方面，亲水性的加强使得水分被吸附在表面，而颗粒接触纳米纤维的亲水性表面时，会更容易被吸附；另一方面是，原本表面光滑的纯PAN样品由于DEAP的加入，表现出了粗糙表面结构，为颗粒的吸附提供了更多的吸附位点。

Al-Attabi等[13]为了将正硅酸乙酯（TEOS）掺杂到PAN中，将TEOS溶解于二甲基甲酰胺（DMF）溶剂后加入涂料，挥发性溶剂在静电纺丝针注射时促进纤维表面的蒸发，由于TEOS和DMF的蒸发速率不同，导致两相分离，促使纤维表面具有了褶皱结构。另外，PAN基体中掺杂二氧化硅，可以降低滤膜材料的压降，增加纤维表面颗粒的非滑移区，从而为颗粒的捕获产生更大的滞留区。PAN/TEOS复合纤维静电纺制备纳米膜过滤材料，具有广泛的孔径分布，高的空气过滤效率和使用寿命，可以应用于颗粒、病原体和气体污染物的去除。

1.2.2 PAN负载金属及金属氧化物复合纤维

PAN纤维负载金属或是金属氧化物是赋予过滤材料抗菌性的有效手段。研究显示，金属或金属氧化物的加入，也可以提高过滤材料的压降和过滤效率[14]。因此，PAN静电纺丝纤维负载金属及金属氧化物纳米粒子，可以用来增强过滤材料的机械性能与功能性成为研究热点方向之一。

Cho等[14]研究发现，PAN纳米纤维负载纳米TiO2粒子对纳米PAN纤维材料的空气过滤效率和压降产生积极影响作用。PAN/TiO2复合纤维的孔径比纯PAN纳米纤维要大，且在空气流速为800 cm/s时，PAN/TiO2复合纤维膜的压降要比聚丙烯腈纤维膜的压降小4倍，过滤效率明显提高。

为了研发出兼具去除空气污染物能力和抗菌性能的PAN纤维过滤材料，Canalli等[15]通过分别引入二氧化钛、氧化锌和银杀菌粒子制备了三种复合改性PAN纳米纤维过滤膜材料，并使用扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）分别对三种过滤材料的9～300 nm氯化钠气溶胶颗粒的过滤性能进行定量评价。同时，选用大肠杆菌悬浮液对比评价三种过滤材料的抗菌能力。研究表明，PAN/Ag纳米纤维过滤复合材料具有最佳的杀菌活性和过滤效率，最低的压降（68.13 Pa），较高的过滤效率（＞98%）和最高的质量因数（0.06 Pa-1）。Bortolassi等[16]也采用静电纺丝法制备PAN/Ag复合纤维，研究也再次证明，PAN/Ag复合纤维过滤材料不仅对空气中的目标颗粒物有着很高的过滤效率（≈100%），还具有一定的抗菌性，表现出了对104 CFU/mL 的大肠杆菌具有优良的抗菌活性。PAN/Ag纳米复合纤维过滤材料兼具的空气污染物过滤能力、抗菌性能和优秀的机械性能使它可以很好地应用在许多空气过滤材料领域。

因此，金属及其氧化物通过静电纺丝负载在PAN纤维上，会对过滤材料的压降、过滤效率等性能产生不同程度的改善作用。但是，在未来可能的工业实际应用中，还需要考虑其成本，例如抗菌效果最好的纳米银颗粒的成本也相对较高。

1.2.3 PAN/凹凸棒石复合纤维

为了解决PAN纤维用于空气过滤材料时压降过大，孔径大小不适合于捕获超微粒子等问题，Wang等[17]制备了一种新型PAN/凹凸棒石复合纤维多孔网状过滤材料，该过滤材料呈现出多孔的网状结构（图3b），使得过滤材料可以吸附空气中的有害重金属离子和大气颗粒物，同时得益于凹凸棒石的驻极效应，连续使用600 min后，膜表面电位仍保持在2.2 kV 以上，保证过滤材料的长期使用寿命。

图3 不同凹凸棒石含量的PAN/凹凸棒石复合纤维过滤材料（a. 0%；b. 10% wt）[17]

同时，狐竣梅等[18]研究了三种不同的改性剂对PAN/凹凸棒石复合纤维的静电纺丝制备工艺。结果表明，以十八烷基三甲基溴化铵和硅烷偶联剂KH-570改性凹凸棒石作为静电纺丝法制备PAN纤维的功能添加剂，改性后凹凸棒石纳米棒在PAN纳米纤维表面分布好，制备的复合纳米纤维膜材料综合过滤性能提升明显。以邻苯二甲酸二辛酯（DOP）气溶胶颗粒为目标过滤物，发现凹凸棒石使复合膜材料的空气过滤效率达到98.67%，压降仅为106.7 Pa。

1.2.4 PAN/植物纤维复合纤维

除了静电纺丝法等新型纺丝方法，在实际工业生产中，熔融纺丝法和溶液纺丝法是PAN及其复合纤维制备最普遍、传统的方法。熔融纺丝法是先制备出聚合物熔体，然后通过挤出机在喷丝头挤出，进入冷却室，最后固化成纤维并在卷轴上收集。熔融纺丝法具有纺丝设备简单、效率高和环境污染小等特点，但该纺丝法要求聚合物的熔融温度低于分解温度[19]。由于PAN含有的氰基之间存在强极性相互作用，使得PAN的分解温度低于熔融温度[20]，纯的PAN不能进行熔融纺丝。

为了PAN熔点低于分解温度，主要通过添加增塑剂或者改变共聚物的组成和比例来实现。陈磊等[21]以咪唑类离子液体为增塑剂，聚丙烯腈和酶解木质素为原材料，采用增塑熔融纺丝制得了连续、结构均匀的聚丙烯腈/木质素纤维。经过测试，发现所得纤维直径较粗，如果要实际应用，还需要先进一步牵伸后考察其力学性能。但是，通过SEM分析，酶解木质素与聚丙烯腈具有较好的相容性，且木质素的加入让增塑熔纺纤维的热稳定性及碳收率明显提高，同时结晶度下降，这表明木质素应用于聚丙烯腈原丝的生产是具有前景的。

李卫杰[19]则是将纤维素与PAN混合共制复合纤维，用两步牵伸法制备初生纤维，然后在对其进行热牵和干燥制得PAN/纤维素复合纤维。通过测试发现，随着纤维素溶液相对含量的增加，PAN/纤维素共混溶液的均匀性先变好后变坏。在少量加入纤维素时，复合纤维的强度会稍有提升；而当纤维素的含量继续增加以后，共混溶液的固含量下降，复合纤维的致密程度因为相分离程度的增加而降低，进而会导致复合纤维的强度降低。

1.3 聚乙烯醇纤维

PVA具有较好的化学稳定性、成本低，且具有很好的生物相容性。但是，PVA在高湿度的环境，特别是高温高湿的环境下使用时，使用寿命会大打折扣。在制备时往往会引入其他物质进行复合，以加强其对各种使用环境的适用性。而在选择复合物质的时候，选择一些同样是具有良好降解性的物质，那么可以制备出环境友好的空气过滤材料。例如选择具有疏水性的玉米醇溶蛋白，制得的复合膜既得到了疏水改进，也拥有良好的生物降解性，是未来绿色工业有很好前景的材料。目前，PVA材料研究热点是将PVA与二氧化硅、碳材料、大豆分离蛋白等、材料混合制成PVA复合纤维材料，该复合纤维是制作空气过滤材料的理想材料。

1.3.1 PVA负载活性纳米材料复合纤维

Zhu等[22]通过静电纺丝和热交联制备了PVA/聚丙烯酸复合纤维过滤膜材料，同时，研究了复合纤维引入超疏水性二氧化硅纳米粒子和纳米银粒子的影响作用。研究结果表明，PVA/聚丙烯酸复合纤维克服了纯PVA易溶于水的缺点，超疏水性二氧化硅纳米粒子的引入增大了纤维表面粗糙度，显著增加了过滤材料的有效表面积，对非油性气溶胶和油性气溶胶的过滤效率均高于98%，纳米银粒子的引入让过滤材料也具有较强的抗菌性。

为改善PVA纤维过滤材料制备工艺，减少有机溶剂的使用，他们在后续的研究中以生物基壳聚糖和PVA为原料，结合静电纺丝和紫外光固化技术制备了一种新型的PVA/生物基壳聚糖纤维空气过滤膜材料[10]，通过DEHS气溶胶颗粒和NaCl气溶胶颗粒测试该过滤材料的过滤性能发现，PVA/生物基壳聚糖纤维空气过滤膜材料对两者均有着较好的过滤效果，过滤效率分别可以达到97.30%和98.73%。

1.3.2 PVA/蛋白复合纤维

由于蛋白的机械性能较差，采用静电纺丝制备纯蛋白纳米纤维十分困难，常用方法是使用PVA与蛋白共混制备PVA/蛋白复合纤维材料[4]。

Fang等[23]以PVA和大豆分离蛋白（SPI）为原料，采用静电纺丝法制备了一种可以生物降解的多功能空气过滤膜材料。通过对混合纳米纤维膜材料的微观结构、表面化学特征和机械性能的分析，确定了纺丝液中SPI/PVA最佳配比为2∶1，抗拉伸强度为4.3 MPa，略低于纯PVA膜的7.9 MPa；拉伸模量为42.1MPa，明显优于纯PVA的17.3MPa。在压降小于2.5 μm的情况下，经过30 min的试验，过滤效率可达99.99%。此外，PVA/SPI复合纤维过滤膜显示了对大肠桿菌的抑制作用。

Li等[24]则以PVA/玉米醇溶蛋白纳米纤维为原料，按图4方式成功地制备了高效空气过滤材料。研究发现，PVA/玉米醇溶蛋白纳米纤维过滤材料可以通过惯性撞击、相互作用、拦截作用、静电作用等机理对颗粒物进行过滤，它对0.1～10 μm粒径的颗粒具有较高的去除效率，对于较大的颗粒（如10 μm）的过滤效率可达到99.99%，对于较小的颗粒（如0.3 μm）能达到99.88%。此外，玉米醇溶蛋白具有疏水特性，随着玉米醇溶蛋白含量的增加，复合过滤材料的疏水性能得到持续改善，疏水角最高可达120º～140º。

图4 PVA/玉米醇溶蛋白纳米纤维过滤材料示意图[24]

1.4 聚四氟乙烯纤维

聚四氟乙烯具有非常良好的化学稳定性和热稳定性，常被用于高温条件下使用的空气过滤材料用纤维。Zhu等[25]采用同轴静电纺丝和厚位表面接枝的方法，成功制备了全氟双疏硅聚四氟乙烯纳米纤维膜材料，如图5所示。

研究发现，该全氟双疏硅聚四氟乙烯纳米纤维膜材料具有超疏水和超疏油性，水接触角为173o，油接触角为134o。同时，还具有均匀的孔隙结构和较高的气体透过率（697m3m-2h-1kPa-1），重复循环使用十次以后，压降和过滤效率仍可达2.5 KPa和99%，具有优良的可重复性和稳定性。

2 空气过滤用微纳化纤维素纤维研究进展

不同于传统有机合成纤维在生产和后续处理时对环境可能存在的问题，纤维素纤维，是地球上含量最丰富可再生资源之一，拥有其他传统有机合成纤维无法替代的生物降解性和可再生等优点。用可再生的纤维素纤维替代传统有机聚合物纤维材料或者复配有机聚合物制备功能纤维生产空气过滤材料，逐渐成为研究热点方向之一[4]。

由纤维素纤维抄造成的纸基材料具有良好的生物降解性，丰富的羟基基团含量，是高性能空气过滤材料的开发方向之一。微/纳米级纤维素纤维分为微纤化纤维素（MFC）、纳米微晶纤维素（NCC）和纳米微纤化纤维素（NFC），具有可再生、可修饰性强和比表面积大等特征[26]。目前，将微纳化纤维素纤维与PAN、PVA等传统有机聚合物共混后通过静电纺丝技术制备纳米纤维素复合纤维[4]，以实现提升空气过滤材料力学性能和过滤效果的目的逐渐成为研究热点。

2.1 纳米纤维素/PAN复合纤维

PAN纤维空气过滤材料，随着厚度的增加，孔隙率下降，过滤压降随之增大。纳米纤维素具有相对均一的尺寸特性以及较高的机械性能，两者复合制备纳米纤维素/PAN复合纤维过滤材料，有助于降低过滤材料压降，提升过滤材料工作效率。

任素霞等[27]以纳米纤维素和PAN为原料，采用静电纺丝法制备了NCC/PAN复合纤维过滤材料。热重分析发现，NCC/PAN复合纤维过滤材料在300℃时开始失重，具有较好热稳定性，可以被用在高温气体过滤领域。另外，NCC表面存在大量亲水基团，复合制得的过滤材料仍然具有优秀的亲水性，有利于增强过滤效率及降低空气压降，显著提高过滤颗粒物的能力，过滤效率可达99.67%，相应的压降为169 Pa。

Xu等[28]将NFC与PAN复合制备纤维过滤材料，研究NFC的含量对NFC/PAN复合纤维过滤材料力学性能影响。研究发现，NFC/PAN复合纤维过滤材料在不同的环境温度下，其拉伸模量均比纯PAN纤维要好。NFC/PAN复合纤维材料的拉伸模量最高可以超过100 KPa，远远优于纯PAN的55 KPa。复合材料与纯PAN的力学强度均在60℃左右开始下降，但复合材料的下降趋势要慢于纯PAN制备的过滤材料。NFC/PAN复合纤维过滤材料的水接触角为92.5º，要小于纯PAN过滤材料的112.5º，表现出更好的亲水性，使其具有更加稳定的持续性颗粒物过滤能力。

2.2 纳米纤维素/PVA复合纤维

纯PVA纤维过滤材料机械性能相对较差，NCC强度大，含有大量羟基，可以和PVA很好的相容，将NCC与PVA两者复合制备纤维过滤材料，可以为复合过滤材料带来较好的机械性能。

Li等[29]以NCC和PVA为原料，通过负载纳米银颗粒制备了具有抗菌性能的NCC/PVA复合纤维过滤材料。研究发现，这种复合过滤材料的机械强度得到了明显的提升，抗拉伸强度最高可达到73 MPa。当相对湿度≥50%时，复合材料的疏水性要优于纯PVA材料。另外，载银NCC/PVA复合纤维过滤材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌还表现出了优秀的抗菌性。

Zhang等[30]采用静电纺丝技术制备了一种新型低压降PVA/NCC复合纳米纤维材料（图4）。静电纺丝时，电荷密度是影响静电纺丝纤维直径的一个重要参数。NCC的加入，使得纺丝液的表面电荷密度明显增大，从而使静电纺丝纤维的直径降低。因而带负电的CNC有利于小直径静电纺丝纤维的产生。同时，NCC的加入还可以增强PVA纤维的机械强度。在PM2.5质量浓度＞500 μg/m3，气流速度为0.2 m/s的条件下，PM2.5去除率达到99.1%，压降为91 Pa。

图6 PVA/NCC 复合纤维空气过滤材料制备过程[29]

2.3 纳米纤维素与蛋白复合纤维

Fan等[31]以CNF/玉米醇溶蛋白纳米粒子为原料，Pickering乳液作为活性填料，制备了分层结构的全生物质空气过滤材料。研究发现，玉米醇溶蛋白暴露的功能基团通过相互作用机制捕获空气污染物，具有高比表面积的纳米颗粒可以有效捕获大气颗粒物和化学气体。

Qing等[32]以纳米细菌纤维素和玉米醇溶蛋白为原料，制成了具有优良机械性能和多功能的复合过滤材料。纳米细菌纤维素表面富含羟基，可以与玉米醇溶蛋白表面的含氧集团形成强氢键，使两者之间存在强大的界面黏附和相互作用，从而大大提高了复合材料的机械性能，抗拉伸强度可达118.5 MPa，杨氏模量可达11.5 GPa。玉米醇溶蛋白的加入还让复合材料上形成了致密的网格结构，增强了复合材料的过滤能力。另外，玉米醇溶蛋白作为一种强大的纳米载体，可以包封和释放疏水性活性物质，通过调整装载物质的种类和含量，可以使复合过滤材料具备多种功能，适用于更广泛的领域。

3 总结与展望

目前，聚丙烯基、聚丙烯腈基、聚乙烯醇基及聚四氟乙烯基等有机纤维用于空气过滤材料已经有一定工业应用，根据他们自身不同的特点，也常被不同的加工工艺处理以应用于不同的场合。不同纤维材料特点如下表1所示。

表1 不同材料的特点

但是单一成分有机纤维用于空气过滤材料时，存在功能性与孔隙结构单一，过滤效率、压降与机械强度不易兼顾，过滤能力有限，可降解性低等缺陷。现阶段研究热点主要是将聚丙烯基、聚丙烯腈基、聚乙烯醇基等有机聚合物与聚苯乙烯、聚碳酸酯、正硅酸乙酯、纳米Ag、纳米TiO2、凹凸棒石、蛋白等功能助剂复合改性，开发先进空气过滤材料用功能纤维。

例如聚丙烯基纤维对温度的变化敏感，在当前多选择熔融纺丝的工业环境下，加工简单、成本低廉；研究方向多为将其与材料复合制备拥有更强机械性能和过滤性能的复合改性聚丙烯腈纤维过滤材料。相对于聚丙烯腈来说，聚丙烯腈基对环境温度的变化不敏感，拥有更好的耐高、低温性能；学者在研究中多关注如何使用聚丙烯腈基制备具有特殊结构的聚丙烯腈基纤维过滤材料，并研究如何对其进行表面改性，以获得更好的过滤效率和机械性能。聚乙烯醇基纤维对环境的湿度特别敏感，在制备过滤材料时，往往会将其与物质复合以获得适用条件更广的过滤材料。与其他可选择的原材料相比，聚四氟乙烯具有优秀的化学稳定性和热稳定性，因此多被选择为制备用于高温条件下使用的空气过滤材料。

微纳化纤维素纤维具有良好的生物降解性，具有可再生、可修饰性强和比表面积大等特征，同时表面拥有大量官能团可以提升复合膜的水性。纳米纤维素结构特点决定其是优良的空气过滤用功能纤维材料，如何提升纳米纤维素在有机高聚物中的分散均匀性是纳米纤维素制备复合功能纤维需要解决问题。通过合理的改性方法，赋予纳米纤维素新的结构功能基团，提升纳米纤维素在不同体系下的适应性将是研究开发的方向之一，进而提升纳米纤维素在空气过滤材料领域的应用前景。

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Research Progress of Functional Fiber for Air Filtration Composite Material

KONG Zhi-qi1, GUO Da-liang1*, WU An-bo2, SHA Li-zheng1, LIU Bei1

（1. College of Environmental and Resources, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China;2. Hangzhou Special Paper Industry Co., Ltd, Hangzhou 311407, China）

The fibrous filter material has three-dimensional structure characteristic, has the high filtration efficiency and the low air flow resistance to the particulate matter in the air. In view of the current research situation of fibrous filter materials, the conventional organic fibers such as polypropylene, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polytetrafluoroethylene and nanocellulose, which are commonly used in nanofibers, are introduced, the composite modification methods of these fibers in the application of air filtration materials are emphatically described, and the possible problems and improvement ways of each fiber are pointed out. As a kind of degradable material, nano-cellulose fiber will play an important role in air filter material. The composite modification methods of nano-cellulose fiber with traditional organic fiber and protein are reviewed, it is expected to provide some guidance for the research and development of new paper-based air filtration composites.

air filtration; functional fiber; nanocrystalline cellulose; composite material

TK6

A

1004-8405(2021)03-0036-11

10.16561/j.cnki.xws.2021.03.03

2021-04-06

浙江省自然科学基金项目（LY20C160006）；国家自然科学基金项目（31500492）。

孔之奇（1998～），男，硕士；研究方向：纤维素基过滤材料。zanderkong17@163.com

通讯作者：郭大亮（1981～），男，副教授，硕士生导师；研究方向：生物质高效利用与纸基功能材料方面的研究工作。08guodaliang@163.com