纳米纤维基气凝胶在空气过滤领域应用的研究进展

程怡昕，何瑞东，陈 萌，王 娜

(青岛大学 纺织服装学院，山东 青岛 266071)

空气污染日益严峻，对人体健康和环境造成极大的威胁[1]。暴露于环境中的PM2.5(空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒物)和甲醛等挥发性污染物[2-4]不仅会引发雾霾天气，而且会诱发呼吸系统疾病[5]，因此，人们应采取措施保护人类健康和生态环境，如减少污染排放、开发高效空气过滤材料。

纤维过滤材料是空气过滤的核心过滤介质[6-8]，用于颗粒物过滤的空气滤材多为熔喷纤维、玻璃纤维和普通非织造材料[9-11]等，可以高效过滤粒径较大的颗粒物，但对于粒径在2.5 μm以下颗粒物过滤效率有限；用于有机污染物吸附的滤材[12-14]包括天然植物纤维、无机纤维及有机高分子纤维，但因强度低、脆性大等问题，限制其实际应用。

纳米纤维滤材的出现解决了传统滤材拦截效率低、结构单一等问题，其因纤维直径细、比表面积大、结构可控等特点，被广泛用于过滤领域[15-16]。构建二维纳米纤维膜可提高过滤器的性能，但普通滤材容尘量小[17]，随着过滤的进行，污染物沉积在过滤器表面，堵塞孔隙，缩短过滤器的使用寿命。因此，创建具有连续多孔的三维过滤器对长期循环过滤具有重要意义。

气凝胶是一种溶剂被空气取代而孔隙和网络保持不变的轻质三维固体材料[8，18]。现已制备出多种气凝胶，如SiO2气凝胶、纤维素气凝胶、碳气凝胶等。气凝胶因密度低、孔隙率高、比表面积大等特点，表现出优异的光学、热学、电学特性等[19]，在过滤、吸附、能源等领域有广泛应用。通过化学修饰、冷冻干燥等方法引入连续的纳米纤维可以优化传统气凝胶的性能，提高纤维过滤器的容尘量和使用寿命。

本文主要从天然高聚物基气凝胶与合成高聚物基气凝胶2个方面介绍了国内外纳米纤维基气凝胶的制备方法、功能修饰及其在空气过滤领域应用的研究进展，旨在现有过滤器的研究基础上，设计性能更优、环境友好、可量化生产的多功能高效过滤材料。

1 天然高聚物基气凝胶

天然高聚物是指以重复单元连接成的线型长链为基本结构的高分子量化合物。由天然高聚物制备而成的气凝胶具有来源广泛、环境友好、可持续性、无毒、表面易改性等特性，被广泛应用于空气过滤领域。

1.1 纤维素基气凝胶

纤维素基气凝胶因具有可降解、比表面积大、轻质等特点，引起了研究人员的广泛关注。其基本制备过程包括纤维素预处理，纤维素的凝胶化、溶剂置换和干燥处理，且每个过程与所得气凝胶的结构和性能密不可分。

Nemoto等[20]将水/叔丁醇混合物中的2,2,6,6—四甲基哌啶—1—氧基—氧化纤维素纳米纤丝(TOCN)分散体进行冷冻干燥，并制备高性能的TOCN气凝胶。具有较大比表面积(超过300 m2/g)的TOCN气凝胶内部存在纳米级、类蜘蛛网的网络，使得制备的过滤器显示出优异的过滤性能。Zeng等[21]制备了一种由交联木质素和少量石墨烯组成的具有微米级孔的复合细胞壁类木气凝胶过滤器，该材料具有高刚度及较好的热稳定性和耐湿/防水性。该气凝胶过滤器的空气过滤机制主要是扩散作用，对不同尺寸的颗粒物表现出优异的过滤效率(PM0.1、PM0.5和PM1.0的过滤效率分别超过99.10%、99.16%和99.75%)，同时还具有很低的压降，可在一定程度上改进现有过滤器的长期循环过滤和抗堵塞性能，为新型高性能空气过滤器的设计提供新途径。

棉纤维在全球的使用量很大，废棉的再利用潜力巨大并决定了可持续研究的深度。Xie等[22]以废棉为原料制备出碳化纤维素气凝胶并在所得气凝胶表面上垂直生长二硫化钼，设计出一种环保的导电空气过滤器。该过滤器具有高比表面积、优异的导电性、对颗粒的高过滤效率(对PM2.5和PM10的过滤效率分别超过99.91%和99.95%)和良好的循环使用性(5次循环后吸附效率大于97.80%)，并且可以通过洗涤简单地实现再生。该研究工作以加强纤维基气凝胶与颗粒间的静电吸附作用为契机。不仅为高效空气过滤器的设计提供了新的策略，还为回收废棉纤维提供了一条途径。此外，Ukkola等[23]通过回收纤维素材料制成具有纳米结构和多孔泡沫的高效气溶胶过滤器。这种材料具有高孔隙率(99.8%)、较高比表面积(18.6 m2/g)和对360 nm颗粒良好的过滤性能(>99.5%)。该材料中的纳米泡沫结构和厚度可以实现对不同尺寸颗粒的分级过滤，同时高孔隙率可实现气流稳定传输，满足呼吸面罩领域的要求，为多功能、高性能个体防护材料的开发提供一种新途径。

1.2 复合纤维素基气凝胶

通过将纤维素与其他材料复合，从而实现气凝胶材料最终性能的大幅提升也是当前纤维素基气凝胶研究的一大热点。

Souzandeh等[24]制备出具有纳米纤维结构的高性能混合纤维素/蛋白质空气过滤器，这种复合材料对不同粒径的颗粒物在各种气流流速下具有出色的去除效率，尤其是对尺寸小的污染物(PM0.3的去除效率为99.30%)和多种有毒化学物质(一氧化碳、甲醛、二氧化硫等的去除效率均大于80%)，原始材料来源丰富，具有环境友好性和用即弃等优点。Sepahvan等[25]通过调配纤维素纳米纤维和壳聚糖比例，制备出一种新型复合纤维素基空气过滤器。该材料具有高比表面积、高孔隙率和较小厚度等特点。其对PM0.3的过滤效率为96.88%，压降为79 Pa，对CO2最大吸附量为4.8 mmol/g。这种复合天然高聚物基气凝胶材料有望替代合成石油基过滤器，为高效可持续、环境友好性过滤器提供研究思路。

目前，研究人员对复合纤维素基气凝胶的探究已经扩展到多方面，如空气和水净化，生物传感器，药物输送和组织工程等，然而，这个快速发展的领域还处于起步阶段，仍需要在实验室和商业规模上进行深入探索。

2 合成高聚物基气凝胶

与天然高聚物相比，合成高聚物种类繁多，可满足不同领域的需求。此外，可根据需要对合成高聚物进行功能改性。通过简单可行的工艺制备出既具有较好力学性能又具有多功能性的高聚物气凝胶仍然是人们所期望的。

2.1 静电纺纤维基气凝胶

静电纺丝技术的兴起进一步推动了纤维过滤材料的发展。静电纺纤维膜具有纤维直径小、孔隙率高、堆积密度可控等优点，基于此，研究人员开发了一系列静电纺纤维基气凝胶材料。

Zhang等[26]通过静电纺丝、聚多巴胺(PDA)涂层、络合Fe3+及冷冻干燥，成功制备了具有超高孔隙率、分层多孔结构和良好抗压性的交联三维聚丙烯腈纤维气凝胶。PDA涂层促进的多重氢键和Fe3+-PDA配位键都可以有效地诱导纤维间连接的形成，可有效增强三维纤维气凝胶的抗压性并使其具有多级孔径分布结构。当具有高比表面积(85.7 m2/g)的气凝胶与高效空气过滤器(过滤器由纤维直径从几百纳米到几微米之间的聚丙烯/玻璃纤维组成)相结合时，所获得的复合过滤器对PM0.1和PM0.5的过滤效率分别为99.72%和99.85%，压降仅为54.1 Pa。此外，Ma等[27]通过调节混合物中高分子量的左旋聚乳酸(PLLA)与低分子量的右旋聚乳酸(PDLA)的质量比，控制由自发纤维间立体络合引起的交联，并利用静电纺丝技术制备了PLLA/PDLA复合纳米纤维气凝胶。压缩测试表明，这种复合材料的抗压性明显高于PLLA气凝胶。这种气凝胶与微米级纤维空气过滤器结合所得的复合过滤器具有捕获超细空气传播颗粒(PM0.1的去除效率为99.83%)的潜力。以上2种材料设计都能在一定程度上改善纤维气凝胶力学性能及循环抗压性能，为静电纺纤维基气凝胶应用于空气过滤领域提供了一定保障。

除过滤效率和压阻外，容尘量也是空气过滤器性能的一个重要指标。Li等[28]以聚酰胺酰亚胺为基体聚合物，利用静电纺丝工艺制备出具有超弹性、高压缩应力(7.9 kPa)且热稳定好的纳米纤维气凝胶。这种材料作为级联过滤器表现出高过滤效率(PM0.3过滤效率大于99.97%)、低压降和超高容尘量(114 g/m2)。

Yu等[29]通过静电纺丝技术开发了柔性二氧化硅气凝胶/聚丙烯腈复合纳米纤维膜。实验结果表明，含有100% SiO2气凝胶/聚丙烯腈复合膜具有高比表面积(289.20 m2/g)，能够高效吸收挥发性有机化合物(VOCs)，10次循环实验后仍保持初始VOCs吸附能力。

近年来，随着空气过滤材料研究的深入，滤材的功能化逐步成为研究热点。Wang等[30]通过结合静电纺二氧化硅纳米纤维、细菌纤维素纳米纤维和疏水性Si—O—Si弹性黏合剂，构建具有可再生抗菌性能的笼状结构超柔纳米纤维气凝胶(CSA)。所得气凝胶具有高孔隙率、疏水性、超弹性、可折叠性、可再生氯化能力、对PM0.3的高过滤性能(>99.97%，189 Pa)。此外，N—卤胺化合物的有效接枝赋予CSA优异的抗菌和抗病毒活性，使得气凝胶在有效过滤颗粒污染物的同时还能够拦截和灭活空气中的致病污染物。

此外，发电、冶炼、垃圾焚烧等行业所产生的高温烟尘对过滤材料的耐温性提出了一定要求。刘慧中等[31]将静电纺丝得到的聚酰胺酸、聚四氟乙烯-聚酰胺酰亚胺(PTFE-PAI/PI)纳米纤维通过均质乳化、冷冻干燥、高温烧结过程，制备出结构良好、性能优异的PTFE-PAI/PI耐高温纳米纤维气凝胶，得到的纳米纤维气凝胶具有较高的孔隙率(98.95%)和良好的热稳定性，对PM1.0和PM2.0过滤效率分别为97.6%和99.3%。用这种方法制备的气凝胶材料在高温过滤领域具有潜在的应用，如用于高温除尘袋。

静电纺纤维基气凝胶材料结构可设计及良好的功能化特性为其在空气过滤领域中的应用提供了诸多可能，但静电纺纤维基气凝胶材料的整体力学性能还无法满足实际应用要求，尚需与其他材料相结合实现结构和尺寸的稳定性。该问题是以后研究的重要方向。

2.2 其他纳米纤维基气凝胶

除静电纺丝技术外，研究人员还采用超临界干燥、喷雾干燥、相分离等工艺制备了不同的纳米纤维基气凝胶。Kim等[32]通过超临界干燥法制备了间规聚苯乙烯和聚偏二氟乙烯的混合单片气凝胶，实验数据表明，该气凝胶具有良好的透气性，对NaCl纳米颗粒的过滤效率为99.99%。Yi等[33]通过喷雾空气干燥、喷雾冷冻干燥和容器装载冷冻干燥法制备了聚(乙烯醇-乙烯基)纳米纤维气凝胶，该材料孔隙率为97.3%，综合过滤性能最好，具有更高的容尘量(24.3 g/m2)和较长的使用寿命(8.5 h)。Qiao等[34]通过相分离将聚偏氟乙烯(PVDF)引入到交联聚酰亚胺(PI)的三维网络结构中，制备了PVDF/PI复合气凝胶。该研究通过调控PVDF的添加量来获得不同多孔结构的纤维气凝胶。具有良好的透气性和较好的过滤效率(PM0.3和PM2.5的过滤效率为99.8%)。此外，该材料的水接触角为146o，表现出良好的疏水特性，这使得其能够在潮湿环境中保持结构稳定性，可进一步延长基于该材料的空气过滤器的使用寿命。

当前合成高聚物基气凝胶表现出优异的过滤性能和较高容尘量，但是，对于过滤介质可循环使用性以及对挥发性有机污染物的吸附能力需要进一步研究。此外，为了更好地应用在工业防护和日常防护方面，更要注重生产方式的便捷性与材料成本。

3 结束语

在科技化与工业化共存的时代，经济发展的同时也带来了严重的空气污染问题，开发性能优异和结构可控的空气过滤材料成为研究热点。研究人员利用纤维凝胶化处理、静电纺丝技术、超临界干燥等工艺制备出的纳米纤维基气凝胶材料，逐渐在高性能过滤材料领域崭露头角。该过滤材料同时具备纳米纤维均一性高、长径比大以及三维气凝胶轻质、结构稳定的优势，通过后期功能化处理可以改善原始材料的力学性能和稳定性，满足不同领域对过滤器的需求。此外，要结合现阶段工业发展的需求和未来可能对环境造成的影响，聚焦工业除尘和空气净化2个方面，制备出更适合大规模处理环境污染的过滤材料。