DOI:10.1016/j.jcis.2020.05.123

新兴传染病（EIDs）的频繁爆发使个人防护过滤介质的需求量增大。电纺纳米纤维材料由于纤维直径小，经证实其对抵抗含病毒的细颗粒非常有效。但是，由于细纤维固有的紧密堆积特性，电纺滤膜的空气阻力较高，因此呼吸舒适性较差。在此，研究者报告了一种仿生一步法，以构建名为纳米羊毛的超细且卷曲的羊毛状纳米纤维，这种纤维表现出蓬松的体系结构和强大的驻极体效应。通过实现纳米纤维的在线自卷曲和就地充电，卷曲的驻极体纳米羊毛显示出约0.6μm的小直径（比天然羊毛低两个数量级：约20μm）和98.7％的超高孔隙率，同时具有13260 V的超高表面电势（比以前的过滤器高一个数量级）。结构优势和强大的驻极体效应使纳米羊毛表现出出色的过滤效果（对于PM0.3而言，大于99.995％）和较低的空气阻力（55 Pa）。此外，纳米羊毛还具有很好的可扩展性，不仅在个人防护口罩领域具有广阔的工业前景，而且还为开发低成本、多功能形式的下一代羊毛铺平了道路。

图1.设计原理和所得纳米羊毛材料。（a）示意图描述纳米纤维水分辅助在线自卷曲的概念。具有设计相对湿度的三种静电纺丝条件触发了三种不同结构的组装：具有串珠结构的紧凑型纳米纤维膜（NFMs），由直纳米纤维组成的常规NFMs和蓬松纳米羊毛。（b）用粘弹性麦克斯韦哑铃系统建模的电纺射流，由恩肖不稳定性驱动的射流扰动。（c）说明从粘性流体到固体纤维的演变。SEM图像显示了水分辅助策略的概念证明：（e）相对湿度为30％时串珠状结构的PVDF纳米纤维，（f）相对湿度为60％时通常为直PVDF纳米纤维，以及（g）相对湿度为90％时羊毛状卷曲PVDF纳米纤维。

图2.蓬松的架构以及改进的过滤和机械性能。（a）PVDF-30 NFMs、（b）PVDF-60 NFMs和（c）PVDF-90 NWFs的侧视图。（d）在不同RH条件下获得的PVDF纳米纤维材料的孔隙率和（e）表面电势（20次试验的误差估计）。（e）的插图显示了表面电势的测试示意图。（f-h）分别由湿度（f）30％、（g）360和（h）90％制备的单个纤维周围的归一化静电场强度。（i）在不同的相对湿度下制备的PVDF纳米纤维材料的过滤性能（3次测试的误差估计）。（j）3D模拟，显示气流通过PVDF-60 NFMs和PVDF-90 NWFs时的压力场。（k）在不同的相对湿度条件下制备的PVDF纳米纤维材料的拉伸性能（10次试验的误差估计）。（l）PVDF-90 NWFs的SEM图像显示了纤维之间的环间现象。

图3.具有增强的驻极体效应的NWFs和原位充电机制。从HAP浓度为（a）0.25、（b）0.5和（c）1 wt％的溶液中获得的PVDF NWFs的SEM图像。（d）PVDF/HAP NWFs的纤维直径以及与天然羊毛的比较（300次试验的误差估计）。（e）各种HAP浓度制备的PVDF NWFs的表面电位（20次试验的误差估计）和（f）XRD图谱。（g）描述拟议的静电纺丝三相驻极体机理的示意图：（i）PVDF的双极取向和（ii）射流飞行过程中PVDF和HAP之间的Maxwell-Wagner效应和（iii）固化纳米纤维内的电荷分离。

图4.NWFs的空气过滤性能及其应用前景。（a）PVDF NWFs的过滤效率和压降与HAP含量的关系（3个试验的误差估计）。（b）模拟说明带电和中性纳米纤维对具有最大穿透尺寸（0.3μm）颗粒的过滤过程。（c）比较PVDF/HAP-0.5 NWFs、商业主流过滤介质和已经报道过的基于ESN的空气过滤材料的过滤性能，表明当它们具有相同的过滤水平时，PVDF/HAP-0.5 NWFs节能效果更好。（d）比较商业过滤材料和NWFs的能源成本。（e）雷达图显示了自卷曲纳米纤维、天然羊毛和商用空气过滤材料之间的全面比较。（f）大规模生产NWFs及其所产生的空气过滤器。