我国的环境污染问题日益严峻，其中雾霾污染给我国造成的经济损，雾霾主要是由于空气中的悬浮颗粒、烟和水蒸汽造成的，其中空气中高浓度的 PM2.5（空气动力学直径小于或等于 2.5 ????m 的微细颗粒物，又称可入肺颗粒）是引起雾霾天气最主要的原因之一。由于 PM2.5 粒径小，能较长时间悬浮在大气中且能远距离输送，易携带有毒有害物质，一旦被呼入人体后能直接进入支气管、肺泡和血液中引发哮喘、支气管炎、心血管病、尘肺病和肺癌等疾病，对人体健康造成不可逆的严重伤害。另外近年来，新型冠状病毒（2019-nCoV）、支原体（mycoplasma）、百日咳（pertussis，whooping cough）等各种流感病毒席卷全国，其传播途径主要有飞沫传播、气溶胶传播以及密切接触传播。病毒颗粒直径小于0.1????m，与分泌物、飞沫等混合在一起形成体积约5????m左右的混合体。因此，发明一种高效低阻过滤用的纳米纤维膜，对各种病毒和PM2.5进行有效隔绝，是关乎人们生活质量和身体健康的社会问题，也是我国重要的环境问题，更是一项关乎民生的重大课题。

青岛大学省部共建生态纺织协同创新中心房宽峻教授团队在《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“ Large polystyrene microsphere embedded 3D polycaprolactam-6 nanofiber mats with high filtration performance for ultrafine particulates”。本研究开发了一种新型的三维（3D）纳米纤维过滤材料，专门设计用于过滤直径PM≤ 1????????的超细颗粒物，通过气体喷射纺丝，成功地将聚苯乙烯微球嵌入 PA6 纳米纤维中，制备出一种"珠链"状PA6/PS微球纳米纤维膜，具有蓬松的三维堆积结构。

图1： PA6/PS微球纳米纤维膜的制备和性能。

为了优化PA6/PS微球纳米纤维膜的过滤性能，深入研究了PS微球粒径及添加量对纳米纤维膜孔径结构及过滤性能的影响。通过一系列PS微球粒径对比测试以及采用单一变量法设计PS微球浓度梯度，进行各种测试与表征，最终得出结论：当PS微球为10????????，添加量为1.5 wt%时，微球在纳米纤维膜中的分散效果最均匀，纤维形貌最优。

图2：(a-e)在PA6浓度为8%、纺丝气压为0.10 MPa、推进速度为1.5 ml/h、纺丝距离为30 CM下，PS微球/PA6纳米纤维膜1000x的扫描电镜图像，其中(a) PS添加量为0 wt% (b) PS添加量为0.5 wt% (c) PS添加量为1.0 wt% (d) PS添加量为1.5 wt% (e) PS添加量为2.0 wt% ；(f)PS微球/PA6纳米纤维膜实物图。

图3中可以看出， PA6/PS微球纳米纤维膜在高流速下对于PM≤ 1μm的超细颗粒物过滤效率可达到99.58±0.09 % ，压降为105±2 Pa，实现了高过滤效率与低压降，且具有优异的耐久性能和品质因数，为空气过滤技术提供新启示。

图3：不同PS微球比例下纳米纤维膜的（a）不同粒径下的过滤效率；（b）过滤性能；（c）品质因数；（d）耐久性能。

空气流速和纤维膜克重也会对纳米纤维膜的过滤性能产生影响，图4所示，在PS微球比例为1.5 wt%下，随着空气流速从3.7 cm/s增加到9.7 cm/s时，纳米纤维膜的过滤效率变化不大，均在99.5 %左右，过滤压降从85.67±1.53 Pa增加到173±2 Pa；纳米纤维膜克重从5 g/m2增加到20 g/m2时，过滤效率从70.99 %增加到99.7 %  过滤压降从46 Pa增加到105 Pa。

图4：( a）PS比例为1.5 wt%时,不同流速下纳米纤维膜的过滤效率和压降； （b）不同面流速下,不同比例PS微球纳米纤维膜的压降；（c）PS比例为1.5wt %时，不同克重纳米纤维膜的过滤效率和压降；（d）不同克重下,不同比例PS微球纳米纤维膜的压降。

图5中可以看出，PA6/PS微球纳米纤维膜同时兼具优异的透气性能、透湿性能和力学性能。此外微球的加入还起到了撑起纳米纤维膜空腔结构的作用，使得该纳米纤维膜展示出了高孔隙率，这也是压强降低的关键因素。

图5：（a）不同比例PS微球下纳米纤维膜的透气率；（b）不同克重下，不同比例PS微球纳米纤维膜的透气率；（c）不同比例PS微球下纳米纤维膜的透湿率；（d） PS微球/PA6纳米纤维膜的透气性直观图；不同比例PS微球下纳米纤维膜的（e）孔隙率；（f）孔径分布（g）应变应力曲线。

图6为不同纳米纤维膜的化学表征，图6a红外光谱图证明了确实在纳米纤维膜中成功加入了PS微球并且微球含量逐渐增加。图6b XPS全谱图对纳米纤维膜表面原子的化学环境进行分析，确定纤维膜对PM颗粒物的拦截作用以及PS微球的成功掺入。

图6； 不同比例PS微球下纳米纤维膜的（a）红外光谱图；（b）XPS全谱图；（c1-3）C1s分峰图；（d1-3） O1s分峰图（e1-3）N1s分峰图。

图7为加入不同比例PS微球的纳米纤维膜直径分布图，可以看出随着微球比例的增加，纤维直径呈现出先减小后增大的趋势，这是由于在纤维膜成型过程中，纺丝液被高压气流拉伸形成射流时，由于聚苯乙烯微球较大的粒径及惯性作用对尼龙6纤维起到了一定的牵伸作用，促使了尼龙6纤维直径细化至472.96 nm。

图7 不同比例PS微球下纳米纤维膜的（a-e）直径分布；（f）直径分布规律

如图 8a 所示，在推进力的作用下含有 PS 微球的纺丝溶液在内喷嘴头部形成泰勒锥，外喷嘴的高压气流将泰勒锥表面的 PA6/PS 悬浮液剥离成细小的射流。 这些射流在气流的鞭打下，被大粒径的PS微球拉伸，最终变成了嵌入 PS 微球的细纳米纤维（图 8(b)）。当 PA6/PS 纳米纤维用于空气过滤时，PM颗粒被蓬松的三维纳米纤维结构有效捕获（图 8(c)）。如图 8（d 和 e）所示，本研究制备的纳米纤维结构比纯 PA 纳米纤维结构更细更蓬松，从而增强了过滤的扩散和拦截效果（图 8（f）），实现了优异的过滤性能。

图8：（a）蓬松串珠状结构形成原理图；（b）纤维与PS微球结构放大图；（c）PS微球/PA6纳米纤维膜对粒子的拦截效应电镜图；（d）不加微球纳米纤维膜截面图；（e）添加1.5%PS微球纳米纤维膜截面图；（f）纳米纤维膜过滤机理图。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2025.132459