静电纺构筑多形貌纳米纤维空气过滤膜的研究进展

陈明伊,陈柔羲,范 杰,王湘麟,高宇非,刘 峰,詹 杰,李雪菲,董伊航,周 宁,张克勤

(1.天津工业大学 纺织科学与工程学院,天津 300387; 2.南方科技大学 创新创业学院,广东 深圳 518055;3.广东科技学院 艺术设计学院,广东 东莞 523000; 4.南方科技大学 材料科学与工程系,广东 深圳 518055;5.中广核研究院有限公司,广东 深圳 518000; 6.苏州大学 纺织与服装工程学院,江苏 苏州 215123)

近年来,随着工业化和城市化进程的加快,空气污染问题越来越严峻,对大气环境和人类健康构成了威胁,其中颗粒物(PM)是最主要的空气污染源之一,主要来源于工业排放、汽车尾气、矿物粉末等,化学成分主要有硅酸盐、硫酸盐、硝酸盐、铵盐等吸水性较强的污染物[1-2]。颗粒物(PM)按粒径(单位μm)进行分类,一般分为PM10、PM5、PM2.5、PM1、PM0.5、PM0.3[3]。低于PM2.5的颗粒物可直接吸入人体肺部,更严重的是微细颗粒物具有大的比表面积,能携带大量细菌、病毒、花粉和其他过敏原等进入人体呼吸道系统,引起呼吸道炎症并对免疫系统造成伤害,易诱发癌症、缺血性心脏病、慢性阻塞性肺病和神经系统紊乱等疾病,严重危害人们的健康[4-6]。目前,除了通过减少排放来降低颗粒物污染之外,颗粒物过滤净化技术是应用最广泛的方法之一[7-9]。

当前空气过滤技术可分为静电除尘技术和滤网过滤技术。静电除尘技术[10-12]利用放电技术可主动捕获颗粒物,但其容尘量较低,对微细颗粒物(如PM2.5)的过滤效果非常有限,此外在粉尘捕集过程中,易造成尖端放电,不仅存在一定的安全隐患,还会产生二次污染物臭氧。而滤网过滤技术因其材料种类多、结构可控、应用范围广等优势,成为目前空气过滤领域的主流发展方向[13-14]。目前市面上的滤网材料中,使用最为广泛的是纤维材料,如非织造布、熔喷驻极纤维与玻璃纤维等[15-17]。普通非织造布制备技术成熟且成本低,但纤维直径粗、孔径大、过滤效率低;熔喷驻极纤维直径为微米级,对PM2.5过滤性能高,气阻低,但纤维通过二次充电获得的驻极性能易失效;玻璃纤维对颗粒物过滤效率高,但纤维堆积结构导致气阻高且纤维过脆,力学性能较差[18]。近年来,纳米纤维备受关注,由于其直径小、比表面积高,成膜后孔径小且孔隙率高,可实现超细颗粒物的高效过滤与良好的空气流通性,被认为是空气过滤领域中最具有商业开发潜力的材料之一[19-21]。静电纺丝技术是目前制备纳米纤维常用的方法,可将不同种类的可纺聚合物通过简单的纺丝工艺制备出纳米纤维[22-23],因此基于静电纺技术开发空气过滤膜已成为近几年的研究热点,截至目前为止,在Elsevier平台数据库中,以“electrospun”“electrospinning”“nanofibers”“air filter”为关键词检索的论文有900多篇(1998—2022年),在中国知网上检索的专利有134项,且研究数量逐年上升。

目前静电纺丝技术已突破常规单一的纳米纤维结构,开发了粗糙、多孔、蛛网等特殊形貌的纳米纤维。本文综述近年来静电纺纳米纤维膜在空气过滤中的最新研究进展,系统介绍粗糙、多孔、串珠、蛛网、褶皱、三维等结构纳米纤维的制备原理、过滤机理及其在空气过滤中的应用,并对不同结构纳米纤维过滤膜的性能进行对比,最后讨论了其未来面临的挑战和发展前景。

1 静电纺纳米纤维

静电纺丝是将聚合物溶液或熔体放置于强静电场中,调整适应的温度与湿度,当电压升高到一定值时,液滴在纺丝喷头上会被拉伸成泰勒锥并形成极细射流,高速飞向收集器,经溶剂蒸发或熔体冷却固化后,获得超细纤维,直径最小可达到1 nm[24-26]。静电纺丝的主要装置包括高压电源、接收器、注射器、计量泵、喷丝头等,该方法具有设备简单、操作方便、制备成本低等特点,是目前获得纳米纤维膜常用的制备方法。

通过静电纺丝方法可以制备出多种形貌的纳米纤维,如粗糙、多孔、串珠、蛛网、褶皱、三维气凝胶等形貌(见图1)。常见的光滑纳米纤维拦截颗粒物的摩擦力相对较小,且在堆积时易形成紧密结构,增加空气阻力,较难达到过滤性能的平衡。

图1 多形貌纳米纤维Fig.1 Multiform nanofiber

2 高效过滤机制与纤维结构

2.1 高效过滤机制

纤维凭借拦截效应、布朗效应、惯性效应和静电效应来捕获颗粒物[27],过滤性能主要取决于纤维直径、气流路径与粒径大小(见图2)。纤维表面形貌能直接影响整体的过滤性能,传统静电纺单根纳米纤维多为圆柱体,可通过改变纤维表面形貌,构造特殊结构,实现过滤材料的高滤低阻性能。除了单纤维表面结构调控外,纤维的排列与堆积形式对过滤性能的影响也尤为明显,纤维和纤维之间的孔径和孔道分布会决定气流中颗粒物流动的方向。目前许多聚合物材料已成功静电纺丝成不同结构的纳米纤维膜并应用到空气过滤领域,如聚丙烯晴(PAN)、聚氨酯(PU)、聚酰亚胺(PI)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚酰胺(PA)等[28-29]。聚合物与相应纤维结构见表1。

表1 聚合物与相应纤维结构Tab.1 Polymer and corresponding fiber structure

图2 纳米纤维过滤机制Fig.2 Filtration mechanism of nanofibers

2.2 高效过滤纳米纤维的结构研究

2.2.1 粗糙结构纳米纤维

增加纤维比表面积有利于拦截颗粒物,通过掺杂方式可使纳米纤维表面形成粗糙结构,从而实现纳米纤维膜对颗粒物的高效过滤。掺杂的物质通常为纳米颗粒,其中无机驻极体尤为常见,其不仅能增加纤维的比表面积,还能借助电荷主动捕获颗粒物,进而提高纤维膜的过滤性能,如二氧化硅(SiO2)、Zif-8、聚四氟乙烯(PTFE)、勃姆石(Boehmite)、钛酸钡(BaTiO3)、氮化硅(Si3N4)等。

SiO2是最常使用的无机驻极体颗粒,相比勃姆石、氮化硅、钛酸钡,其电荷衰减更慢[30]。Li等[31]在静电纺PI纳米纤维膜表面引入SiO2纳米颗粒,改善纤维表面粗糙度,增加了有效表面积(图3(a)),膜的过滤性能得到提升,在20个过滤测试循环后,对PM0.3过滤效率保持在至少90%左右,最高值接近100%,同时不会增加气阻。贾琳[32]等制备了PAN/SiO2复合驻极纳米纤维膜,与纯PAN纳米纤维滤膜相比,具有更优的过滤性能,在32 L/min气流下,PM0.3的过滤效率为99.95%,气阻为87.22 Pa。Liu等[33]将SiO2、Boehmite、Si3N4、二氧化钛(TiO2) 4种驻极体分别掺杂到PU膜上进行对比,掺杂Si3N4的PU膜具有更细的纤维(均值为350 nm,图3(b))和良好的力学性能,且在7 d后仍然保持570 V的高电位,其应用在窗纱中,在1.22 g/m2的低面密度下对PM0.3仍保持高过滤效率(79.36%)和低气阻(25 Pa)。

图3 纳米纤维过滤膜粗糙结构[31,33-34]Fig.3 Rough structure of nanofiber filter membranes.(a) PI/SiO2 nanofiber;(b) PU/Si3N4 nanofiber;(c) FEP/PTFE nanofiber

PTFE驻极体也被应用在静电纺空气纳米纤维膜上,Lin等[34]在成膜后通过高温煅烧去除PEO获得表面有粗糙结构的全氟聚合物FEP/PTFE纳米纤维膜(图3(c)),测试结果显示该膜具有较高的电荷存储和静电感应能力,在低气阻(38.1 Pa)和高质量因子(0.154)下的PM0.3去除效率为99.71%,将该膜组装成保健口罩放置在温度92 ℃与湿度100%的室内模拟恶劣环境测试,结果显示48 h后过滤性能依然稳定。Wang等[35]制备PVDF/PTFE复合纳米纤维膜,气流为79.5 L/min时,对PM0.3～PM0.5的过滤效率达99.97%,气阻为57 Pa。

与普通纳米纤维膜相比,表面粗糙的纳米纤维膜具有更高的过滤性能,这些粗糙结构可以提高纤维比表面积,尤其表面是驻极粒子,还能带电荷主动捕获颗粒物。粗糙结构纳米纤维膜利用物理拦截和静电吸附双重效应对颗粒物进行过滤,同时能使孔道复杂化,提高纤维之间紧密堆积的空气流通性,进而平衡过滤效率与气阻之间的关系。

2.2.2 多孔结构纳米纤维

多孔结构能增加纳米纤维的比表面积,用于吸附微细颗粒物或有害气体。目前纤维成孔的方法有自发成孔和后调控成孔,自发成孔是指在静电纺丝过程中改变外部环境而引起聚合物和溶剂相分离或溶剂挥发而形成的孔洞;后调控成孔是指在纳米纤维基础上做后处理,除去某些固相成分而形成多孔结构。

Song等[36]采用后调控成孔方法,利用丙酮处理使PLLA聚合物链再结晶并生成开花的多孔结构(见图4(a)),多孔PLLA纳米纤维膜对PM0.1的过滤效率可达99.99%以上,气阻为110～230 Pa。Song等[37]采用相同方法,利用溶剂诱导聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维形成多孔结构,对PM2.5和蛋白质具有较高捕获能力。Hu等[38]通过“一步”静电纺丝法,将具有微孔的ZIF-67晶体填充到每根PS纳米纤维(见图4(b)),分级多孔纳米纤维膜可有效去除PM2.5和SO2气体,在室温和湿度55%的环境下,对SO2气体吸附能力为1 362 mg/g,此外,ZIF-67的引入,增强了纤维膜对PM0.3静电作用,过滤效率可达99.92%,气阻仅为91 Pa。该研究团队[39]还采用自发成孔方法制备含二氧化锰的聚苯乙烯多孔纳米纤维(MnO2/PS-HPNM),可控制分级多孔结构(见图4(c)),甲醛气体易渗透到纤维的孔道中与MnO2接触,去除率达88.2%,同时MnO2增加了纤维膜的比表面积,提高了对PM2.5过滤性能(99.77%),气阻仅为82 Pa。

图4 纳米纤维过滤膜多孔结构 [36,38-39]Fig.4 Porous structure of nanofiber filtration membranes.(a) PLLA nanofiber ;(b) ZIF-67/PS nanofiber; (c) MnO2/PS-HPNM nanofiber

多孔纳米纤维膜利用高比表面积和高孔隙率来捕获空气中的微小颗粒物,除了良好的过滤性能外,纤维上的多孔结构使纳米纤维膜还具有较强的吸附性,能够过滤空气中的有害气体。目前,通过静电纺丝技术制备的多孔纳米纤维膜可用做商业空气净化材料。

2.2.3 串珠结构纳米纤维

串珠结构纤维的形成主要是黏度、表面张力和静电斥力的综合结果,由于纺丝液浓度过低,导致纺丝液的黏度以及表面张力较小,在静电纺丝过程中液柱所受的静电力远大于其表面张力,因此液柱在极短时间内无法被快速拉伸抽细而直接被拉断飞出,形成不规则梭形串珠结构。存在串珠结构的纳米纤维膜具有优异的空气过滤性能,一方面串珠结构可以减少膜的孔径,增大膜与颗粒物碰撞的面积,从而加强拦截效率;另一方面串珠结构可以增大相邻纳米纤维之间的空间,降低纤维堆积密度,从而减小气流的摩擦,降低气阻。

Huang等[40]通过调整PAN浓度和环境湿度条件,用静电纺丝方法成功制备了具有串珠结构的纳米纤维,在62.5 L/min的气流速度下,实现了对PM0.3达到99%以上的过滤效率,气阻仅为27 Pa。Kadam等[41]研究了PAN双层纳米纤维膜中的微珠和纤维分层顺序对膜特性、气阻和过滤效率的影响,表层无串珠和底层有串珠的双层膜对0.3～0.5 μm颗粒物的过滤效率超过95%,气阻在137 Pa左右,虽然与市面一次性口罩效果相当,但透气性高,改善了口罩呼吸闷热的难题。Han等[42]研究了一种可降解的PLA串珠纳米纤维(见图5),与商用口罩相比,串珠PLA纳米纤维膜(EA7/DMF3-PLA10)在雾霾环境下具有更高的过滤效率,对PM2.5过滤效率为92.6%,对PM10效率为95.4%,气阻低至29.3 Pa。

图5 纳米纤维过滤膜串珠结构与捕获颗粒物机制[42]Fig.5 Beading structure of nanofiber filtration membrane and mechanism of particle capture.(a)PLA nanofiber in EA5/DMF5 mixed solvent; (b)PLA nanofiber in EA3/DMF7 mixed solvent; (c) PLA nanofiber in EA9/DMF1 mixed solvent; (d) PLA nanofiber in EA7/DMF3 mixed solvent; (e) Capture mechanism of beads for PM pollutants

纳米纤膜维中的串珠能降低纤维堆积密度,搭建空气通道,减小气阻,同时串珠周边的纤维能保证PM的去除效率,目前制备串珠结构纳米纤维的材料不限于上述聚合物,还有TPU、PVDF、PVP等。但相比其他结构纳米纤维膜,串珠结构纳米纤维膜力学性能较弱,这是因为串珠之间的连接点较少,没有形成连续的纳米纤维网状结构,在受到较大外力时,可能容易出现断裂或变形等情况,但可通过调整膜的厚度来提高其力学性能。

2.2.4 蛛网结构纳米纤维

Ding等[43-44]在2006年发现,在静电纺丝过程中带电纺丝液滴在喷射过程中可形成类似蛛网结构的纤维形态,蛛网纳米纤维排列分布似蛛网,由普通纤维作为骨架,超细纤维覆盖铺满成网状。相比普通纤维膜,蛛网纳米纤维膜由超细纤维覆盖,具有更小的孔径与更大的孔隙率,同时充当骨架的纤维能稳固膜的整体结构,在捕获PM能力上得到了极大的提升。

Liu等[45]受蜘蛛网与贻贝湿粘液的启发(见图6(a)),制备了具有蜘网状结构和模仿贻贝湿粘液粘附表面的纳米纤维膜(见图6(b)),通过调节前驱体溶液中粘附分子多巴胺(DA)含量,影响泰勒锥的喷射与相离,从而生成蛛网,该膜孔径小(小于0.28 μm),表面附着力和润湿性增强,在湿度大于90%时,对PM0.3的过滤效率仍大于99.97%。在仿生结构中,有些研究人员致力于突破材料的环保性,如Xiong等[46]将可再生黄麻植物产生的纤维素纳米纤维(CNF)植入到可生物降解多孔瓦楞纸的孔中,并自组装成坚固的蛛网结构,成功制备了可生物降解的复合空气过滤膜(见图6(c)),对PM0.3的过滤效率达94.5%,同时保持296.3 Pa的相对较低气阻,实现了对可再生性、可持续性和生物降解性空气过滤材料的开发。Zhu等[47]研发的仿生蛛网ZIF-8@SiO2复合纳米纤维膜先用静电纺技术制备了柔性SiO2纳米纤维膜,然后通过反向扩散控制结晶,在膜上生长ZIF-8纳米晶体(见图6(d)),ZIF8@SiO2复合膜对烟雾的拦截率高达99.96%,在2 h内对甲醛吸附效率达79.53%,蛛网纳米纤维膜不仅可以拦截空气各类颗粒物,还可以应用在水净化领域(见图6(e)(f))。

图6 纳米纤维过滤膜蛛网结构与过滤机制[45-47]Fig.6 Cobwebs structure of nanofiber filtration membrane and filtration mechanism.(a) Natural cobwebs capture water droplets and tiny particle maps; (b) Microstructure of biomimetic PAN/PDA nanofiber cobwebs; (c)CNF nanofibers assemble into the microstructure of a cobweb; (d) Cobweb nanofiber membranes capture adhesion capacity; (e) Schematic diagram of cobweb nanofiber membrane air filtration; (f) Schematic diagram of water purification of cobweb nanofiber membrane

目前对蛛网纳米纤维膜的研究越来越多,已探索出许多聚合物形成蛛网的方法,如PAA、PA、PVA、明胶和PU等[48]。但蛛网结构的形成存在一定的偶然性,目前对其形成的机制尚未清晰,需要建立一种可靠、系统的形成机制作为制备蛛网结构纳米纤维膜的理论指导。

2.2.5 褶皱结构纳米纤维

近年来,褶皱结构纳米纤维在吸附、捕获或分离应用等方面显示出巨大的潜力。与普通纤维相比,褶皱结构纳米纤维不仅具有很高的表面积,而且还增加了纤维之间的距离,从而提高了PM过滤效率。目前,制备褶皱结构的纳米纤维主要有物理与化学2种方法。常见的物理方法是掺杂、热处理和等离子体处理,常见的化学方法是溶剂蒸汽退火(SVA)与湿化学沉淀法。

Deng等[49]采用热处理方式将聚乙烯醇/海藻酸钠/羟基磷灰石(T-PVA/SA/HAP)纳米纤维进行热缩,形成独特的褶皱螺旋结构(见图7(a)),促进对颗粒污染物的物理拦截,此外由于HAP纳米粒子具有静电吸附效应,能够有效去除99%以上的PM0.3与PM2.5。Riyadh等[50]通过掺杂方式,在PAN溶液中添加硅酸乙酯(TEOS)掺杂剂,TEOS和DMF之间的蒸发速率不同,影响纤维定型,导致纤维起皱,形成的褶皱纳米纤维对PM0.3过滤效率为99%,气阻178 Pa。Kim等[51]则采用过氧等离子体对PAN纳米纤维膜(PEPNFs)进行后处理,得到的褶皱PAN纳米纤维膜具有高的空气过滤效率(PM2.5过滤效率为92.02%)和低气阻(18 Pa),在超过2 000 μg/m3的高浓度颗粒物环境下进行循环实验,该材料依然保持高过滤性能(见图7(b))。Huang等[52]采用工序简单的溶剂蒸汽退火方法,在PCL/PEO复合纳米纤维上诱导褶皱结构形成,在丙酮蒸汽处理过程中,游离的非晶态PCL链可以离域,然后在溶剂蒸发后结晶重新沉积到预先存在的结晶片层上,从而在PCL/PEO纳米纤维上形成褶皱结构(见图7(c)),在PM2.5浓度超过225 mg/m3的严重污染环境下,该膜有效过滤仍达到80.01%(见图7(d))。

图7 纳米纤维过滤膜褶皱结构与过滤效果[49,51-52]Fig.7 Pleated structure of nanofiber filtration membrane and filtration effect.(a)Schematic diagram of the construction of pleated T-PVA/SA/HAP nanofibers; (b) Pictures and SEM images of PEPNFs before and after filtration; (c) SEM image of pleated PCL/PEO nanofibers; (d) The filtration effect of PCL/PEO nanofiber membrane made into masks

纳米纤维表面存在褶皱有助于气体吸附,并使气溶胶颗粒在纤维表面防滑和停滞,因此具有较高的空气过滤效率,并在这些纤维表面获得了强大的颗粒粘附力,但褶皱结构也会增加清洁难度,难于应用在可重复使用的空气过滤材料。

2.2.6 三维气凝胶

由静电纺纳米纤维衍生的三维气凝胶具有分层多孔结构、超高孔隙率与低密度等优异特性,近年来已广泛应用在环境工程、生物工程和能源工程等领域。常规纳米纤维膜在捕获PM时,表层容易形成PM堆积与堵塞,持尘能力较差,长时间使用会导致纳米纤维膜的气阻逐渐增大,使用寿命有限。相比纳米纤维膜,三维气凝胶具有独特的分层多孔隙结构,在过滤过程中表现出超强的过滤效率与稳定的气阻,具有良好的持尘能力与较长的使用寿命。

Li等[53]加入PTFE、聚环氧乙烯(PAI),静电纺制备PTFE/PAI/PEO复合纳米纤维膜和PAA纳米纤维膜,再将这2种纤维膜切成块浸入分散溶剂中混合均匀后,冷冻与热诱导交联键合,获得了具有分层多孔结构和优异力学性能的PI/PTFE/PAI气凝胶(见图8(a)(b)),其可承受高达500 ℃的高温(见图8(c)),对于PM2.0的过滤效率高达99.34%,可用于过滤高温烟气。Qian等[54]以PI静电纺纳米纤维为构建块,通过冷冻干燥和热诱导交联法制备了PI气凝胶(见图8(d)(e)),该气凝胶具有超低密度、优异高温稳定性、力学柔性与韧性。经测试,相同面积和质量的PI纳米纤维膜与PI气凝胶对PM2.5过滤效率均为99.9%,但PI气凝胶的气阻仅为177 Pa,远低于PI纳米纤维膜的1 460 Pa,在雾天过滤高浓度PM2.5情况下,运作22 h仍能保持99.9%的过滤效率(图8(f))。在PI构建块的基础上,聚多巴胺(PDA)具有良好的粘附性能,常用于辅助制备气凝胶,Zhang等[55]通过静电纺丝、PDA涂层和铁离子(Fe3+)交联、冷冻干燥等流程,成功制备了具有超高孔隙率、分级多孔结构和良好抗压性的PAN纳米纤维气凝胶,该气凝胶在组装成空气过滤器后,在仅54.1 Pa的气阻下,能高效过滤PM0.1(99.72%)和PM0.5(99.85%),展示了超高的过滤性能。

图8 纳米纤维过滤膜气凝胶三维结构与制备方法[53-54]Fig.8 Three-dimensional aerogel structure and preparation method of nanofiber filtration membrane.(a) Schematic diagram of PI/PTFE-PAI aerogel preparation;(b)PI/PTFE-PAI aerogel with nanofiber SEM diagram; (c) Photos of PI/PTFE-PAI at high temperatures; (d) Different mold PI aerogel product photos; (e) PI aerogel SEM diagram; (f) Figure of PI aerogel filters PM2.5 for a long time

纤维的空间分布对过滤效率与气阻影响很大,气凝胶具有蓬松三维结构,内部多层路径长且复杂曲折,当气流通过时,能高效捕获颗粒物,同时三维结构增加了材料的孔隙率,能显著降低空气阻力。因此,随着未来静电纺技术的工业化发展,静电纺制备的气凝胶被认为是防护、空气过滤与净化领域的重要新材料。

2.3 不同结构纳米纤维过滤膜的性能对比

表2为不同结构的纳米纤维的特性及其在空气过滤中的性能,6种结构的纳米纤维在空气过滤领域都发挥着高效低阻的作用,其中粗糙结构纳米纤维通过掺杂驻极粒子,利用物理拦截和静电吸附双重效应对颗粒进行过滤,但驻极体具有时效性,电荷量会逐渐衰减,静电吸附性能会慢慢消失;多孔结构纳米纤维具有超高的孔隙率,除了良好的过滤性能外,还能吸附各种有害气体,但制备过程易出现纤维粘连不稳定等问题,导致孔隙率不稳定,且制备工艺复杂,成本较高[56];串珠结构纳米纤维利用微珠降低纤维堆积密度,搭建空气通道,减小气阻,但微珠之间的连接点较少,导致纤维膜的力学性能弱,易断裂且韧性差;蛛网结构纳米纤维覆盖了超细纤维,对粒径小的PM捕获能力更强,但蛛网形成存在一定偶然性,形成机制尚未清晰;褶皱结构纳米纤维能使更多颗粒在纤维表面停滞,拦截性更强,但褶皱结构会增加纤维直径与清洁难度,进而影响气体流通性;气凝胶具有蓬松的三维结构,能高效捕获颗粒物的同时降低空气阻力,但由于气凝胶厚度较大,不适应一些商业成型的模具,如新风系统空气过滤盒、车载滤盒等。

表2 不同结构纳米纤维的特性及性能Tab.2 Characteristics and properties of nanofibers with different structures

3 结束语

近年来,特殊结构纳米纤维膜的构建为制备高效低阻与多功能的空气过滤器提供了新方法,但也同样面临着困难与挑战:

①静电纺纳米纤维,尤其是多形貌纳米纤维,目前只停留在实验研发或小产量阶段,实现工业化大规模还有很多难点,需要解决纺丝过程的电场稳定性、纤维均匀性、形貌稳定性与可控性等问题。

②静电纺纳米纤维膜由于力学性能过弱,在实际使用前往往需要进行后处理,如复合工艺等,目前大多数复合方式只停留在热复合、超声波与热压等方式,但由于接收基材与电纺膜的熔点不同,复合方法也不同,需要针对不同的应用领域进行不同的应用探索。

总体而言,静电纺纳米纤维在空气过滤、净化与防护领域显示出巨大的发展前景,国外的3 M、唐纳森等公司已经实现纳米纤维产品的商业化,但目前国内仍处于商业化的初级阶段,国内的江西先材、台州纳维新材料等企业不断在拓展静电纺纳米纤维过滤膜的商业化应用。随着中国制造的发展,静电纺作为一种制备纳米纤维的新型技术,未来有望突破更大量的规模化生产,满足市场对纳米纤维产品的需求。