DOI:10.1016/j.memsci.2020.117879

由于近年来严重的空气污染，尤其是对于亚洲国家而言，超高效驻极体空气过滤器备受关注。然而，抑制电荷耗散以保持稳定的电子捕获效率的关键问题仍然是一个挑战。本文研究了异丙醇蒸气和高湿度下静电纺丝膜和电晕带电膜的驻极体机理、电荷降解动力学和过滤寿命。在原位放电和监测装置上测量了表面电位的退化。与电晕带电膜相比，电纺膜具有更长的电荷保持时间。为了定量描述电荷老化特性，提出了一种基于浅陷阱和深陷阱的双层陷阱模型。结果表明，在静电纺丝过程中，除表面电荷外，还形成了深能级陷阱中的体积电荷。此外，利用热激退极化电流技术研究了电纺膜的电荷储存机理，结果表明在电纺膜中捕获到体积电荷，并且电纺过程中产生了偶极电荷。采用扫描开尔文探针显微镜在单个电纺纳米纤维上实现了直接电荷映射。利用深阱中的体积电荷，电纺膜在95%湿度下过滤40 h，过滤效率仅下降3.67%。由固有介电特性的聚合物组成的电纺膜具有丰富的体积电荷和增强的电荷稳定性，且显示出很好的过滤性能，是一种很有前途的空气污染控制材料。

图1.显示电纺膜和电晕带电膜如何形成的示意图，并测试了它们在暴露于异丙醇蒸气和高湿度下的表面电势退化情况。

图2.纳米纤维膜过滤测试的实验装置。

图3.（a）PMMA电纺膜（b）PI电纺膜的SEM图像，（c）暴露于饱和IPA蒸气的电纺膜和电晕带电膜的特征放电时间，（d）用IPA绘制PMMA和PI的汉森溶解度球体。（e）（i）PMMA电纺膜、（f）（j）PMMA电晕带电膜、（g）（k）PI电纺膜和（h）（l）PI电晕带电膜的表面电势退化以及–tdV/dt与log（t）曲线。

图4.（a）暴露于不饱和IPA蒸气的PMMA和（b）PI膜的表面电势退化，其浓度分别为9280、14160和19080 ppm。

图5.（a）暴露在高湿度下的（a）PMMA电纺膜、（b）PMMA电晕带电膜、（c）PI电纺膜和（d）PI电晕带电膜的表面电势退化和双指数拟合。

图6.（a）电晕带电膜和电纺膜中电荷类型的示意图，（b）PMMA电纺膜和流延膜的TSDC光谱（测量了三个电纺样品以确认结果的可重复性）。插图显示了在80-140℃之间的TSDC频谱的放大图，该图表示由于偶极电荷产生的电流。

图7.（a）PMMA电纺纳米纤维的AFM形貌，（b）对应的SKPM电势图，虚线对应于c中的曲线，（c）PMMA电纺纳米纤维的横向电势分布，（d）PI电纺丝纳米纤维的AFM形貌，（e）对应的SKPM电势图，虚线对应于f中的曲线，（f）PI电纺纳米纤维的横向电势分布。

图8.（a）具有不同静电纺电压（15、20、25和30 kV）的PMMA电纺膜的初始表面电势，（b）具有30 kV静电纺电压的PMMA电纺膜的表面电势退化。

图9.纳米纤维膜在表面速度为5 cm s-1时对20–400 nm NaCl颗粒的过滤性能评估。（a）原始PMMA电纺膜和IPA蒸气放电膜的过滤效率，（b）经过95％高湿度处理的PMMA电纺膜和电晕带电膜的过滤效率。