烹饪油烟（CFs），尤其是油烟回流和异味交叉污染，已被公认为室内空气污染的重要来源，并受到广泛关注。油烟主要由颗粒物（PM）、油性气溶胶（OAs）和挥发性有机化合物（VOCs）构成。长期接触这些有害物质与肺癌高发病率密切相关。为缓解这一问题，需开发具有定制化结构、高效过滤能力的创新型过滤器，但制备能同时高效去除多种成分的滤材仍面临挑战。
图1：蜂窝状结构BBF自发成型制备过程及应用示意图。
近日，中原工学院周伟涛、杜姗副教授团队在期刊《Journal of Colloid and Interface Science》上发表了最新研究成果“Spontaneous formation of irregular honeycomb-structured nanobowls/nanofibers bimodal bulk filter for cooking fumes purification using combined electrospraying and electrospinning”。该成果由中原工学院、澳大利亚迪肯大学及河南工程学院共同完成，其中中原工学院为第一署名单位。研究者通过同时静电喷雾和静电纺丝技术，自发成型制备出由纳米碗和纳米纤维构成的三维（3D）不规则蜂窝状双模态过滤器（BBF）。该BBF由再生聚酯（rPET）纳米纤维和β-环糊精（β-CD）纳米碗组成，交错的rPET纳米纤维网络增强了β-CD纳米碗的锚定稳定性，同时能有效去除多种污染物成分。
研究采用静电喷雾技术制备了不同浓度的β-CD微球，并观察到显著的浓度依赖性形貌演变（图2）。在20%的低浓度条件下，β-CD主要形成实心微球（图2a），这归因于稀溶液中分子间距较大，有利于形成球形聚集体。当浓度提高至30%时，微球呈现出独特的纳米碗形貌（图2b）。其形成机制涉及带电液滴在电场中的拉伸破裂、表面张力作用导致的空气进入液滴，以及溶剂快速蒸发与空气阻力的协同作用形成中空微球的表面凹陷。当浓度进一步增至40%时，主要生成具有复杂折叠结构的褶皱微球（图2c），这与溶液粘度升高和分子间作相互用增强密切相关。其中，纳米碗因其表面具有连续凹陷区域和不规则多边形堆叠结构，能够显著增强挥发性有机物的吸附能力，并可自发形成结构稳定的不规则蜂窝结构，因此成为本研究的重点关注对象。
图2：不同浓度下静电喷雾沉积β-CD微球的扫描电镜照片。
纯rPET电纺后形成经典的平面结构，由随机分布的纳米纤维（直径300–950 nm）构成（图3a）。通过rPET电纺与β-CD电喷结合制备的双模态滤波器，其rPET纳米纤维直径更细（平均250±102 nm），并自发形成不规则蜂窝状3D结构，平均直径为27.56±5 μm，壁厚为3.82 μm（图3b）。在该结构中，β-CD纳米碗嵌入rPET纳米纤维网络，形成47 μm高的脊与谷结构。局部残留DMF的溶解作用可能增强了纳米碗与纤维间的界面粘附，从而提升结构稳定性。
为探究形成机制，分析了收集初期（30 s）的样品形貌（图3c）。结果表明，β-CD纳米碗（尺寸约2 μm）在无rPET纤维时已呈现不规则多边形堆积。这种堆积模式源于残留DMF产生的毛细管力与电荷耗散的协同作用，在收集辊表面形成异质图案化模板。通过建立简化几何模型（图3d），并模拟类似蜂窝结构上方的电场分布（图3e–f），发现接收辊表面电场呈不均匀分布：β-CD纳米碗线性聚集区产生最大垂直电场分量（–EzMaxi = 202 kV·m⁻¹），而空白孔区电场近乎为零。这种图案化电场引导rPET纳米纤维和β-CD纳米碗优先聚集于蜂窝壁，促使三维不规则蜂窝结构BBFs自发成型。增强的边缘垂直电场进一步促进了双模态材料的有序堆积，形成具有孔径梯度的3D结构，有利于实现低压降与多组分高效过滤。
图3：不规则蜂窝状结构BBFs的形貌、物理堆叠特性及其自发成型机制
通过对950–750 cm⁻¹区域进行拟合（图4c-d），计算848 cm⁻¹（trans构象）与898 cm⁻¹（gauche构象）的峰强比，得出纯rPET滤膜的构象比例为24.83%，表明分子链以无规卷曲为主；而BBFs中的比例升至30.16%，说明分子链排列更为有序。这一现象可能与不规则蜂窝结构产生的附加牵伸作用有关。热重分析显示，rPET滤膜的最大分解温度为422.61 °C，800 °C时的残渣率为13.56%；β-CD纳米碗的最大分解温度为351.77 °C，残渣率为9.62%。BBFs呈现两个明显的失重阶段，分别位于335.88 °C和426.78 °C，对应于β-CD与rPET的分解。两者在BBFs中的质量损失分别为39.44%和37.42%，表明在相同工艺条件下产率相近。材料的整体分解温度高于260 °C，满足实际烟气净化应用的需求（约200 °C）。
图4：BBF的结构表征与热稳定性。
纯rPET纳米纤维滤膜表现为疏水（水接触角138.12°）亲油特性（油接触角77.15°），油滴可被快速吸收并铺展。相比之下，BBF表现为双亲表面，其水接触角为73.13°（完全润湿时间1.43 s），油接触角为51.64°（完全润湿时间0.51 s）。其表面可见蜂窝状织构，这种超润湿特性源于β-CD纳米碗的引入及其互联多孔结构。与rPET膜相比，BBF表现出更高的断裂伸长率（124%）和拉伸强度（3.35 MPa）。BBF的应力-应变曲线可分为三个阶段：初始线性弹性区（模量234.50 MPa）、非线性屈服区（应变8%~12%）以及后续持续强化区。其三维蜂窝骨架实现了有效的应力传递与再分布（图5g）。BBF在经受20次揉捏循环后仍保持结构完整，且β-CD纳米碗未脱落（图5h,i），凸显了其结构稳定性，适用于实际多组分烟气过滤环境。
图5：纯rPET纳米纤维与BBF的水-油润湿性、油渗透性、力学性能及结构稳定性。
与纯rPET滤膜相比，三维BBF（β-CD纳米碗/rPET杂化滤膜）具有更小的平均孔径（1.8 μm）、更高的孔隙率（94.85%）和更低的堆积密度（0.23 g·cm⁻³）。这种高孔隙率、低堆积密度及梯度孔径的蜂窝结构有助于降低气流阻力。在过滤性能测试中，BBF对DEHS气溶胶的过滤效率达到94.01%，压降仅为30.08 Pa；且经过30次循环后，其过滤效率仍保持在92.99%，压降仅上升至35.36 Pa（图6d）。在实际厨房油烟净化测试中（图6f），BBF对PM、NMHCs和VOCs的去除率分别达到95.27%、88.74%和89.37%，显著高于两种商用滤材及纯rPET滤膜（图6g）。经过120分钟连续测试，BBF对多种污染物仍保持持续稳定的净化能力（图6h,i）。我们推测，BBF内部蜂窝结构所形成的涡流及其带来的有效壁面接触面积增大和涡流捕获效应，是协同提升过滤效率的关键机制。该结构不仅促进了污染物与滤膜表面的相互作用，还通过涡流作用增强了颗粒碰撞与截留概率。
图6：滤膜的过滤特性及综合过滤性能。
这些发现表明，研究开发的自发成型策略有望用于制造具有特定三维堆叠结构的BBF滤材，可有效应对多种污染物。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139308
人物简介
周伟涛，中原工学院纺织服装产业研究院副教授，硕士生导师、澳大利亚迪肯大学公派访问学者、河南省青年骨干教师、河南省“三区”人才、《现代纺织技术》青年编委、郑州市智能织物与柔性电子技术重点实验室主任，一直致力于高分子材料再生、功能化改性应用及智能可穿戴纺织品等方面的研究，入选2024年河南省“科技副总”。主持省部级以上科研项目8项，发表SCI和EI收录论文30余篇，包括Journal of Colloid and Interface Science、Chemical Engineering Journal、Separation and Purification Technology、ACS Applied Polymer Materials、Applied Surface Science、纺织学报、高分子材料科学与工程、材料导报等期刊，授权发明专利13项。
杜姗，博士，副教授，硕士生导师。研究方向为纺织材料改性与传感器制备技术及应用。主持或参与国家自然科学基金、河南省自然科学基金、纺织行业开放课题、企业委托项目等10余项；获河南省科技进步二等奖，河南省高等教育教学成果奖8项。近年来以第一作者或通讯作者在Separation and Purification Technology、Journal of Colloid and Interface Science、Chemical Engineering Journal、Materials & Design、《材料导报》、《纺织学报》等国内外重要期刊上发表论文20余篇，获授权发明专利10项。
