纳米纤维在空气过滤中的运用

吴茜昀

（常熟理工学院纺织服装与设计学院，江苏 常熟 215500）

1 纳米纤维综述

纳米纤维是一种直径小于1000 纳米的新兴纳米材料，其表面积大于普通纤维，有着孔径小、孔隙率高等特性带来的更好的吸附性能及过滤性能，针对粒径在10μm 以下的颗粒物过滤效果更为显著[1-2]，可以高效清除空气中的微粒和有害气体。与此同时，纳米纤维抗腐蚀性能更强，相较普通纤维有更强的泛用性与持久性。

纳米纤维在各个领域都有广泛的运用，包括空气净化、滤水、水处理、有毒气体检测等。纳米纤维在空气净化方面的应用更是因为它能有效清除有害物质，可以有效改善室内空气质量从而受到了广泛关注，前景广阔。

近年来，研究人员也在不断针对纳米纤维的性能展开研究，通过对其形貌、成分、添加吸附剂等的改动以有助于纳米纤维在空气过滤中的应用。

2 纳米纤维的制备原理

纳米纤维的制备原理较为简单，常用的方法有静电纺丝、干法及湿法制备。其中最为主流的是静电纺丝法。其制备原理主要是运用了共轭效应，即通过高压静电发生器接通静电，通过电极的影响来固定喷头喷出的纳米集束，使之以泰勒锥的形态被迅速拉细[1]，在接收辊上形成无纺结构的纳米纤维膜。

湿法制备是通过纳米悬浮液的滤液，利用溶解源及添加剂等制备出具有纳米尺寸及空心结构的纤维，可以有效过滤空气中的污染物。干法制备是通过熔融纤维的方式，利用高温熔融，可以制备出具有纳米尺寸的纤维，具有良好的电磁隔离性能，可以有效过滤空气中的细微颗粒和污染物。

3 纳米纤维在空气过滤中的运用

与传统方法相比，静电纺纳米纤维可纺原料十分广泛，同时制备较为简单，比表面积大且表面易功能化(如表面涂覆、表面改性)。在作为过滤材料时，其孔隙率大，孔隙直径小，较大的比表面积-体积比让它展现出良好的过滤性能。尤其是在空气过滤领域，纳米纤维已成为重点研究的方向之一，其表面易功能化的特性和原材料的多样性也给了它针对单个或多种污染物质进行过滤的可行性。

3.1 聚丙烯腈纤维（PAN）

PAN 纤维作为较早进入大众视野的纳米纤维，它拥有很好的化学稳定性和热稳定性，从而可以作为很好的过滤材料投入使用。同时，其可纺性高且易于改性的特点使其不仅能单独作为纤维基底被投入使用，也能与其他纳米纤维进行混纺，或能根据所需要求进行针对性的功能性纤维的研究与制备。

王西贤等人针对PAN 这一特性制得的PAN/MgO纳米纤维膜，相较PAN 纤维膜，通过引入化学物质MgO制得的复合纳米纤维膜改变了PAN 本身的微观结构，从而提升了纤维膜的透气性及抗紫外线性能；贾琳等同样选择了在PAN 的基础上添加ZnO，借其良好的光学性质来提升产物的光催化抗菌性能。

同时，PAN 也能与其他纳米纤维混合制备。例如赵凯乐等已成功将聚吲哚（PIN）与PAN 纳米纤维进行复合制得了有望成为固态铝空气电池基质的复合纤维膜。

3.2 聚偏氟乙烯纤维（PVDF）

PVDF 具有良好的疏水性、耐腐蚀性，因而很适合用于水过滤。但是在空气过滤领域，相较其余纳米纤维，PVDF 较为脆弱易于断裂，但同时具有较强的压电效应，因此非常适合作为混纺纳米纤维的基底之一或作为单层的滤材，通过电场的复合来提升过滤性能。

翟雯等选择PET 材料作为基底，通过静电纺丝技术在其上构筑PVDF 作为储电层制得了空气滤材。这种复合材料不仅显著提升了空气过滤的透气性，同时也通过静电排斥的原理做到了很好的除尘效果，从而延长了材料的使用寿命。

3.3 聚芳砜酰胺纤维（PSA）

PSA 纤维作为我国自主研发的合成纤维，其优异的阻燃性、化学稳定性都让它能很好地作为空气过滤滤材而被使用。

李亚健硕士由此通过静电纺丝法制备出的PSA/PU复合过滤膜不仅保留了PU 本身优异的空气过滤性能，同时使复合膜具有了优秀的阻燃性、透光性和自清洁能力，为未来对PSA/PU 复合膜在空气过滤领域及高温应用领域的发展打下了坚实的基础。

4 纳米纤维的发展方向

纳米纤维技术在空气过滤中的应用正处于蓬勃发展阶段，它可以提供有效的除尘功能，具有优良的抗霉菌能力。由于纳米纤维具有较高的强度、结实度和耐腐蚀性，使其成为最理想的空气过滤材料。其在空气过滤领域的发展可以从两个方面进行探讨。首先，纳米纤维可以利用其特殊的结构和性能，为过滤空气中的灰尘、微粒、菌落等污染物提供有效的技术保障。其次，纳米纤维的结构可以在很大程度上提高过滤的效率，从而更有效地净化空气。

此外，为了满足不同的需求，纳米纤维也可以根据不同的环境条件和应用场景进行基底的选择，从而使制备的纳米纤维具备定向的性能。总而言之，纳米纤维在空气过滤领域具有着巨大的发展潜力。