双峰纳米纤维膜可以通过更高比例的纳米纤维提供高性能的空气过滤，有助于实现轻量化设计。此外，它们与各种功能化策略兼容。因此，对静电纺丝双峰纳米纤维膜的深入分析是推动高性能空气过滤器发展的关键。

近日，厦门大学郑高峰教授团队综述了静电纺丝双峰纳米纤维膜的特性、高性能空气过滤机制、制造方法和成型机制。随后，总结了功能化应用。最后，讨论了双峰空气过滤膜开发中遇到的挑战。相关研究内容以“Electrospun bimodal nanofibrous membranes for high-performance, multifunctional, and light-weight air filtration: A review”为题目，发表在期刊《Separation and Purification Technology》上。

1.静电纺丝工艺和空气过滤机制

静电纺丝是一种通用且成本低廉的制备纳米纤维膜方法，具有比表面积大、小孔径、可控纤维直径（特别是可以实现100nm以下纳米纤维的稳定制备）和较高的产率。 此外，可用于静电纺丝的材料种类繁多，包括各种聚合物、小分子等，这使得快速制备具有各种结构和功能的纳米纤维成为可能。因此，越来越多研究表明电纺纳米纤维膜被制造出来可以实现高性能空气过滤并用于个人防护。

纤维膜的空气过滤分析主要基于经典的“单纤维过滤理论”，即考虑单纤维的过滤过程，其总的来说可分为五种过滤机制：扩散、惯性、拦截、重力沉积和静电力。机制因颗粒直径而异，对于直径小于0.3 μm的颗粒，静电吸收和布朗扩散起主要作用。当颗粒直径在0.3到1.0 μm之间时，截留起主要作用。当直径大于1 μm时，惯性撞击的作用更为显著。

滑移效应与实现高性能空气过滤密切相关，值得重点讨论。一般来说，当纤维直径接近或小于空气分子的平均自由程时，空气分子可以自由绕过纤维，纤维的阻力减小。这种气流旁路现象称为“滑移效应”。此外，滑移效应对颗粒过滤也有重要影响，滑移效应越强，由于布朗扩散，颗粒沉积在纤维表面的可能性越大。总体而言，滑移效应对高效低阻力空气过滤的贡献已在大多数研究中得到认可。

图1. (a)空气过滤机制。(b)颗粒直径与过滤机理的关系。(c)具有不同克努森数的空气流线。

2.静电纺丝制备高效低阻空气过滤材料的优点

双峰结构可以最大限度地发挥滑移效应的优势，实现高性能的空气过滤。这归因于结构内的粗纤维，它用作支撑框架。这可能会防止纤维密集堆积，从而为气流通过提供更多空间，这将导致压降急剧降低。

双峰纤维膜的优势延伸到它们的基重。由于双峰纤维膜能够用高比例的细纤维实现高性能空气过滤，因此可以在提供高透光率的同时保持低基重。低基重可能会带来降低成本、节省材料、提高舒适度等多重优势，也更有利于大规模生产、商品化和环保。此外，高透光率即使在用户戴口罩时也能实现准确的面部识别，显著提高安全性和便利性。迄今为止，已经发表了50余篇用于高性能空气过滤的双峰纤维膜的报道，双峰纤维膜的优势已得到广泛认可。

3.双峰纤维膜的制造策略

3.1高溶液电导率引起的射流分裂

由于其高导电性，射流表面会产生大量的电荷浓度。当电荷密度高于某个阈值时，射流表面会因电荷排斥而分裂，从而形成树状双峰纤维。添加金属纳米颗粒或盐是增强溶液电导率的有效方法。然而，强氢键的存在可能会抑制射流的分裂，因此，在高电导率溶液中创建氢键较弱的区域是双峰纤维最佳制造的关键。此外，引入小分子可以软化聚合物链并增强它们对外部电场的响应，促进射流分裂和细化。

3.2其他因素引起的射流分裂

除了高溶液电导率，由zeta电位诱导的射流分裂机制已得到广泛研究。当zeta电位绝对值足够大时，在相反极性的电压下，它们非常靠近射流表面，然后被电场的强大吸引力剥离。另外，还有一些关于射流分裂形成纤维/网络结果的报道，然而却并未对其做深入的机制分析。总之，射流不稳定性可由多种因素诱导，导致射流分离和双峰纤维的制备，确定射流分裂的发生是否有更多的关键因素是一个需要进一步探索的领域。

图2. (a)不同浓度的PVDF/TBAC膜的SEM照片。(b)不同膜的制造过程。(c)不同溶液的静电纺丝过程。

3.3静电纺丝/网状

射流和带电液滴都是在静电纺丝过程中产生的。射流被拉伸形成纤维，而带电的液滴通常在飞行过程中膨胀并迅速相分离形成纳米网。因此，形成了纳米纤维/网状结构。射流的高电荷密度是带电液滴的关键内在因素。因此，高电压和低湿度都会一定程度促进带电液滴的形成。

3.4射流不均匀拉伸

在静电纺丝过程中，射流迁移率可能在微观上有所不同，从而导致不均匀的拉伸。当不均匀拉伸的程度足够大时，形成双峰纤维。混合溶液中物质之间氢键能力的差异会导致射流流动性的变化，进而导致射流不均匀的拉伸行为，从而更好地实现双峰纤维的制造。另一个可能导致射流拉伸不均匀的潜在因素是溶剂侵入聚合物链的不均匀机制，聚合物的分子量越大，链越长，缠结程度越高，溶剂便更难均匀渗透。因此，聚合物链在溶液中的伸展的程度变得不均匀。

图3. (a)静电纺丝/网示意图。(b)静电纺丝喷射拉伸过程示意图。(c)喷射器不均匀拉伸过程图。(d)不同分子量EC膜的SEM照片。(e)不同溶剂比例膜的SEM照片。(f)不同分子量EC纤维成型示意图。

3.4多射流源静电纺丝

多射流源静电纺丝特指需要两个或多个射流源的双峰结构的形成。通常需要并联单针设备、共轭单针设备和专门设计的无针设备。工艺方法包括顺序静电纺丝，模块化纺丝，一定角度的共轭纺丝，以及直接堆叠具有不同直径的纤维膜。

图4. (a)并联，共轭和模块化纺丝的示意图。(b)顺序纺丝。(c)模块化纺丝。(d)共轭纺丝。(e)具有不同纤维直径的多层纤维膜的直接堆叠示意图。

4.多功能双峰空气过滤膜

4.1抗菌活性

空气中的微粒通常含有大量细菌，这对人类的健康构成潜在风险。因此，空气过滤材料的抗菌性能成为了研究热点，它可以防止人们受到细菌的伤害。金属纳米颗粒的引入是制造双峰抗菌空气过滤膜的常用策略，但其又带来“纳米毒性”的风险。一些盐类，如胍和铵盐是金属纳米颗粒的代替品。此外，一些来自植物和动物的天然成分，被发现是更安全，更环保的抗菌剂。

4.2气态污染物去除

在正常情况下，气态污染物如硫氧化物、氮氧化物和VOC。众所周知，这些物质具有难闻的气味和致病毒性，对人类健康构成重大风险。普通的商用口罩和静电纺丝纳米纤维膜无法防止气态污染物，因为它们与气态污染物分子的相互作用很少。因此，关键在于添加适当的功能性材料，这些材料通常根据两个标准进行选择。首先，需要能够与气态污染物分子良好相互作用以进行吸附或分解。其次，比表面积应尽可能大，以提供更多的作用位点并显着增强吸附分解效应。目前最常用的是MOF材料和β-环糊精。

图5.(a)CS/Cur, CS/TP和CS/PL双峰纳米纤维膜的SEM照片。(b)PAN/BCP/MOF@mesh过滤器的制造程序示意图。

4.3水蒸气转移

戴口罩时，呼出的水蒸气可能会增加面部侧面的湿度，甚至凝结成小液滴，导致不舒服的潮湿感。因此，水蒸气和液态水必须有效地运输。目前，最有效的方法是构建疏水/亲水梯度的Janus膜，这已广泛应用于伤口敷料和油水分离等领域 。依靠润湿性的差异，水蒸气和液态水自发地从疏水层迁移到亲水层。

4.4散热

在佩戴口罩的过程中，使用者呼出的热量会产生闷热和不舒服的感觉。这个问题可以通过使用良好的散热功能来解决。双峰空气过滤膜由于其高孔隙率和薄结构而表现出一定的散热效果，可以增强热传导和对流。使用红外透明材料可以进一步增强散热能力，而不会阻碍双峰结构的形成。

图6. (a)水分别滴到TPU/TBAC和TPU侧的水分管理测试结果。(b)“推挽效应”示意图。(c)呼吸周期期间口罩的表面温度。(d)不同样品的热红外图像。

4.5其他功能

除了上面提到的常用功能外，最初还探索了一些用于少数应用的功能，并且都与双峰结构兼容。预计各种功能将有助于空气过滤器在复杂的环境中得到更好的利用。例如阻燃，吸声，驱蚊，以及可降解等功能。

图7. (a)PAI/BMI气凝胶在高温下的图像。(b)腔深为10 mm时不同样品的吸声系数。(c)驱蚊剂对不同样品的影响图像。(d)PLA/BC双峰纤维膜的降解过程照片。

5.结论和观点

经济的快速发展使人们越来越关注自身的健康和生活质量。制备轻质、功能化的高性能空气过滤膜可以提高防护性和舒适性，因此备受青睐。电纺双峰纤维膜能以更高比例的细纤维实现高性能空气过滤，并兼容各种功能化策略。

虽然目前双峰纤维膜已经取得了重大进展，但仍然存在许多挑战。(一）许多双峰结构形成机制缺乏直接证据。(二）双峰结构主要是通过射流的不稳定性实现的，这使得其质量难以调节，不利于放大制造。(三）迫切需要系统探索电纺射流行为的流体动力学机理，阐明电流体力学特性影响下的纤维结构形成规律。(四）必须更加系统地分析双模结构的高性能空气过滤机理，以指导进一步的结构优化。(五）许多双模结构制造策略的放大需要高度稳定和均匀的混合溶液体系。必须有针对性地优化混合溶液系统的设计。(六) 双峰纤维膜可能含有大量细纤维，这会对其机械性能产生重大负面影响。(七）双峰结构还可能具有其他优势，还应探索其在其他领域的应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.130417

人物简介

郑高峰

厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院教授、博士研究生导师，科学仪器所所长；仪器与电气系副主任。

主要从事微纳喷印、智能检测传感、柔性电子集成等领域的研究工作。

福建省杰出青年基金获得者，福建省高层次人才，厦门市“双百计划”领军型创业人才；作为第一完成人获福建省科技进步奖二等奖、厦门市科技进步奖二等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖各1项。发表 SCI、EI收录学术论文160余篇，作为第一发明人获授权发明专利40余件，实用新型专利30余件，出版专著1本，参与撰写著作专章3篇。主持有国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、福建省产学研究重点项目、福建省自然科学基金等纵向课题30余项。