DOI: 10.1002/adfm.201910426

颗粒物（PM）给全球经济和公众健康造成了沉重的损失，这也就要求空气过滤器能够从高温排放源中去除PM。然而，创造一种既能有效且持久地捕获多分散微粒（PFPs），又能承受高速气流的理想过滤介质，是一项极具挑战性的工作。本文报道了一种仿生且自下而上的方法，通过将半互穿聚合物网络（semi-IPN）为基础的纳米纤维组装成梯度结构，制备出超弹性、高强度和耐热的纳米纤维气凝胶（NFAs）作为级联过滤器。受源自刚性纤维素网络的丝瓜海绵的启发，NFAs的机械性能通过裁减耐热半互穿聚合物网络的链灵活性而得到增强。进一步构建梯度细胞结构赋予NFAs通用的级联过滤行为以捕获多分散的微粒。由此得到基于半互穿聚合物网络梯度的NFAs具有温度不变的超弹性、高压缩应力（7.9 kPa）和模量（12 kPa）、高过滤效率（大于99.97%，PM0.3）、低压降（约为膜的50%）和超高的持尘能力（114 g m-2）。这种有吸引力的材料的制备为设计用于工业除尘的下一代空气过滤器铺平了道路。

图1.IPNFAs的设计和多层结构。a）IPNFAs制备步骤的示意图。b）示意图显示了三个结构级别的纳米纤维网络的变化：PAI/BMI纳米纤维表面的融合、半互穿聚合物网络以及BMIs的聚合。c）PDM、BDM和BMP的网桥组。具有不同放大倍率的IPNFAs的SEM图像，显示d）均匀的细胞结构和e）纤维-纤维的结合点。f）PAI/BMIs半互穿聚合物网络的tanδ与温度的关系。

图2.源自不同半互穿聚合物网络的IPNFAs的压缩弹性。a）来自不同IPN结构化纳米纤维的IPNFAs的压缩应力-应变曲线。b）从三个结构层面展示了IPNFAs的受力情况的示意图：散装气凝胶、单个纳米纤维和半互穿聚合物网络。c）扁平薄膜的屈曲性能。d）单根纤维的模拟压缩变形。e）三个半互穿聚合物网络的交联密度。f）BMIs异构体的数目。g）PDM、h）BDM和i）BMP主链中可旋转键内部旋转的势能曲线。

图3.PAI/PDM IPNFAs的压缩弹性。a）在不同最大设置ε值下IPNFA的压缩σ与ε曲线。b）在1000次循环疲劳测试中，IPNFA上几个选定循环的σ–ε曲线。c）IPNFAs的储能模量、损耗模量和阻尼比随温度的变化。d）由不同材料制成的3D整料的杨氏模量与密度之间的关系。

图4.具有级联过滤功能的梯度细胞结构IPNFAs。a）梯度IPNFAs的光学和SEM图像显示了宏观连续性和逐渐致密的微观结构。b）图像显示了IPNFAs的强大机械性能：IPNFAs可以承受较大的变形并完全恢复到原始状态。c）非梯度和梯度结构单元对PFP的实验过滤效率和d）模拟过滤过程。e）显示颗粒-纤维相互作用模型的示意图。f）非梯度和梯度结构单元内的模拟气流分布。g）在非梯度和梯度多孔通道内的粒子运动。

图5.级联IPNFAs的实际过滤性能。a）不同气流速度下梯度和非梯度IPNFAs对PM0.3的过滤效率和b）压降。c）提出的压降梯度系数与气流速度的函数关系。d）空气流速对两种IPNFAs品质因子的影响。e）三维梯度IPNFAs和二维IPNFMs在长期过滤过程中对PM0.3的过滤效率和f）压降。g）SEM图像显示了梯度IPNFAs的上、中、下层的颗粒分布。h）使用IPNFAs去除烟饼燃烧产生的高温FPs的演示。i）梯度IPNFAs去除PM2.5和PM10的长期循环能力。j）不同滤料对PM2.5平均去除率的比较。