在全球经济迅猛发展以及工业化进程加速的大背景下，空气污染问题愈发严峻，对人类的生产、生活以及身体健康构成了严重威胁。空气过滤作为一种能够直接且高效去除空气中有害颗粒的重要手段，在空气净化领域发挥着关键作用。然而，现有的空气过滤器仍然存在挑战，在极端温度或恶劣条件下，其功能性丧失，耐用性也会降低，严重影响其使用寿命。尤其是在汽车、发电厂、冶金以及化学工程等工业领域，废气排放中往往含有大量酸性和碱性腐蚀性物质、有机溶剂以及其他有害物质，这对空气过滤材料提出了更高的要求。因此，开发具备高效、耐化学腐蚀、耐高温以及全方位过滤性能的材料，以应对复杂恶劣条件下的空气过滤挑战，成为当务之急。

近期，青岛大学的牛海涛教授和周华教授团队在国际知名期刊《Separation and Purification Technology》上发表了题为 “Robust Super-Liquid-Repellent nanofiber membranes for long-term high-efficiency air filtration in harsh conditions” 的最新研究成果。该团队借助静电纺丝工艺，通过精确调控材料的配比和结构，成功制备出了具有三维复合结构的氟化金属有机框架@聚醚酰亚胺/聚偏氟乙烯-六氟丙烯/氟化烷基硅烷（F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS）纳米纤维膜。这种纳米纤维膜展现出了卓越的超疏水和超疏油特性，对有机溶剂以及强酸强碱等腐蚀性液体具有出色的耐受性，而且在极端的高温和低温条件下，依然能够保持结构的稳定性。基于这些突出的性能优势，该膜对固体和液体气溶胶均具备极高的过滤性能，并且在实际应用场景以及恶劣条件下，能够维持持久稳定的过滤效果。

图1：F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS超疏液纳米纤维膜的制备与其性能。

通过静电纺丝技术，将掺入氟化金属有机框架（F-MOF）和氟化烷基硅烷（FAS）的PEI/PVDF-HFP 纳米纤维进行堆叠，一步制备出了多功能且坚固的超疏液复合纳米纤维膜，具体制备过程如图 1 所示。在这种创新设计中，热塑性的 PEI 与具有低表面能的 PVDF-HFP 相结合，赋予了复合 PEI/PVDF-HFP 纳米纤维优异的疏液性能、高热稳定性以及物理化学稳定性，为高效过滤固体和液体气溶胶提供了有力保障。

图2：F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜的形貌和透气透湿性。（a）PEI纳米纤维、（b）PEI/PVDF-HFP纳米纤维、（c）PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维和（d）F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维的SEM图像。（e）多针静电纺丝制备的F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜的数码照片。（f）纳米纤维膜的孔径、（g）孔隙率、（h）透气性和（i）水蒸气透过率。（j）PEI和F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜的热重曲线。

从图 2 可以看出，所制备的 F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS 纳米纤维呈现出串珠状的纤维结构，并且相互交错堆叠。该纳米纤维膜不仅具有较小的孔径和较高的孔隙率，还表现出了优异的透气透湿性能。

图3：F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜的液体阻隔性能。（a）不同重量比的PEI/PVDF-HFP纳米纤维膜的水接触角。（b）FAS浓度对PEI/PVDF-HFP纳米纤维膜WCA和OCA的影响。（c）F-MOF纳米颗粒含量对PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜WCA和OCA的影响。（d）不同纳米纤维膜的水/油接触角。（e）纳米纤维膜的自清洁性能。（f）不同液体滴到PEI和F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜表面的照片。（g）纳米纤维膜的个人防护性能。

F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS 纳米纤维膜展现出了超润湿性，其水接触角（WCA）高达 162°，油接触角（OCA）为 145°。并且，该膜对多种不同类型的溶液均表现出了良好的疏液性能，如图 3 所示。

图4：F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜的耐化学性和耐高低温性。（a）酸性或碱性液体滴在纳米纤维膜上2小时的照片。（b）纳米纤维膜在各种溶液中浸泡24小时的照片。（c）纳米纤维膜在不同溶液中浸泡后的水/油接触角。（d）原始和（e-g）浸泡在强酸和强碱溶液中的纳米纤维膜的SEM图像。（h）经受高温和低温处理后纳米纤维膜的水/油接触角。（i，j）经过（i）高温和（j）低温处理后的纳米纤维膜的SEM图像。

此外，所制备的 F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS 纳米纤维膜对化学试剂和温度具有良好的耐受性，如图 4 所示。在经过多种化学试剂处理以及高低温处理后，该膜依然能够保持完整的纤维结构和稳定的润湿特性。

图5：F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜的空气过滤性能。（a）FAS和（b）F-MOF含量对PEI/PVDF-HFP纤维膜过滤性能的影响。（c，d）不同负载重量的纳米纤维膜对（c）NaCl或（d）DEHS颗粒的过滤性能。（e）膜对不同尺寸气溶胶颗粒的过滤效率。（f）不同气流速率下纳米纤维膜的过滤效率和空气阻力。（g）连续过滤DEHS颗粒的PEI和F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜的拦截效率和空气阻力。（h）F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS复合膜的过滤机理示意图。

制备的 F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS 纳米纤维膜具备优异的空气过滤性能，对盐性和油性气溶胶颗粒均表现出了较高的拦截效率，如图 5 所示。当气流速率为 32L/min 时，该膜对 NaCl 颗粒的截留效率高达 99.95%，空气阻力为 152Pa；对油性 DEHS 颗粒的过滤效率为 99.55%，空气电阻为 147Pa。

图6：F-MOF@PEI/PVDF-HFP/FAS纳米纤维膜在极端环境下的稳定性。（a）纳米纤维膜在不同湿度条件下的过滤效率和空气阻力。（b）酸碱蒸汽对纳米纤维膜和商用过滤器过滤性能的影响。（c）纳米纤维膜在持续四周真实和不断变化的天气中的过滤性能。

如图 6 所示，制备的纳米纤维膜在经历极端天气、高湿度以及酸碱蒸气等各种复杂条件的处理后，仍然能够保持优异的过滤性能。这表明这种纳米纤维膜在工业过滤以及复杂甚至危险条件下的个人防护等领域具有广阔的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.132005

人物简介：

周华教授：青岛大学特聘教授，博士生导师。2014 年在澳大利亚迪肯大学获得材料工程博士学位，先后担任迪肯校聘阿尔弗雷德博士后及研究员。目前，已在《Chemical Reviews》《Advanced Materials》《Advanced Functional Materials》《Materials Horizons》《Chemical Engineering Journal》等国际知名期刊上发表 SCI 论文 70 余篇，出版英文学术专著 1 部。其论文被引用次数总数超过 5600 次，H 指数达到 40。主要研究方向包括：功能纤维及纺织材料表面整理技术开发，健康防护纤维及纺织材料开发，功能纳米纤维材料开发与应用。

牛海涛教授：青岛大学特聘教授，2010 年获得澳大利亚迪肯大学材料工程博士学位，毕业后在迪肯大学前沿材料研究院从事静电纺纳米纤维方面科研工作。已在《Nano Energy》《Chemical Engineering Journal》《Materials & Design》《Advanced Fiber Materials》《Journal of Power Sources》等著名期刊上发表论文 80 余篇，引用次数超过 7700 次，H 因子为 44。已授权中国专利 22 项。主要研究方向为：静电纺纳米纤维中试及产业化装备开发与建造，先进纳米纤维制备技术，功能纤维材料应用研究（过滤、防护、能量收集与储存等）与产业化。

张晓玉：青岛大学在读博士研究生，主要从事功能纳米纤维的开发及相关研究工作。目前已在相关领域以第一作者发表SCI文章4篇，合作发表文章5篇。研究方向为：静电纺丝技术，开展特殊润湿性纳米纤维材料及隔离防护纤维材料的研究与开发。