香港理工大学石朔博士、王训该教授/香港城市大学胡金莲教授AFM：纳米纤维过滤膜研究进展：从原理到智能应用

空气污染是无声杀手。它对健康构成了重大威胁，影响了全球80%以上的人口，并导致呼吸系统和心血管疾病。电纺纳米纤维过滤膜由于其表面积大、结构适应性强和自极化特性等取得了巨大进展。(图1-3) 本综述基于4个关键问题探讨了纳米纤维过滤膜的最新发展：过滤原理、材料设计、结构创新和功能化。首先，讨论了经典的过滤机制，然后概述了用于先进过滤的可持续材料和绿色技术。(图4) 深入研究了纤维结构设计的发展与创新，重点介绍了具有高粗糙度、超细直径和双峰分布的纳米纤维。受大自然的启发，研究者设计了许多仿生结构的高性能过滤膜，当前过滤薄膜研究的重点是赋予薄膜持久的抗菌和抗病毒的功能性，以及制备具有生理信号感知功能的智能系统。(图5-6) 最后，强调了过滤膜开发中存在的挑战，例如新的过滤机制、绿色制备技术和可重复使用的智能过滤系统。这些问题的解决方案将为功能性可生物降解薄膜、智能可穿戴设备和高端医疗保健开辟新的可能性。

从过滤机理及其基本功能出发，低压降和高过滤效率一直是过滤研究的首要目标。随着先进材料的发展，过滤材料正逐步从传统的石油基不可降解材料向可持续材料过渡，而静电纺丝绿色加工技术在过滤器设计中受到越来越多的关注和需求，同时静电纺丝过程的非有机溶剂使用将是未来的发展趋势。从纤维结构设计的角度来看，研究者已经开发出许多有趣的结构，例如超细纳米纤维网络、高粗糙度纳米纤维网络和具有高过滤效率的双峰分布纤维。随着仿生理念的发展，仿生蜘蛛丝结构、仿生蜻蜓翅膀结构、贻贝湿黏附特性等高效过滤膜得到了发展和研究。在新型过滤纤维膜的设计、制备和研究方面，人们对过滤机理有了更深入的认识，提出了停留时间理论、气滑理论、摩擦电强化过滤理论等机理。当前，对过滤系统的需求发生了变化，人们对多功能过滤系统的需求越来越强烈；尤其是，当前先进过滤系统的研究趋势是赋予高效过滤膜舒适性、生理信号检测、人机交互、透明美学设计等功能。然而，先进电纺过滤薄膜研究仍然存在一些挑战。(图7)

A) 创新机理。增加纳米纤维的电荷和比表面积是提高过滤效率的主要策略。然而，这些原则可能并不适用于智能可重复使用过滤系统的开发。同时，过滤口罩的过滤效率、材料稳定性和智能功能会在某些复杂情况下受到影响，例如高湿度、高金属粉尘和高温。需要发现新的过滤机制和研究新材料，以促进智能过滤系统在不同场景中的服务范围。

B) 稳定性和效率。静电纺丝技术的固有特性也带来了挑战，特别是在实现高效生产和保持稳定的纤维性能控制方面。目前基于无针、空气辅助和熔融静电纺丝技术的研究可以促进静电纺丝的工业化和过滤纳米膜的环保生产。

C) 可持续性。用于先进电纺膜的绿色溶剂开发进展缓慢。根据聚合物溶解理论，只有少数聚合物能很好地溶解在乙醇和水等环境友好型溶剂中。在绿色溶解体系中开发聚合物或为不同聚合物开发具有良好溶解性能的绿色溶剂的研究相对较少。绿色聚合物溶解理论的发展也非常稀缺。

总体来看，基于绿色材料、仿生结构和创新理论的发展，纳米纤维过滤相关研究取得了快速发展。目前，纳米过滤口罩融合了中红外渗透、抗菌抗病毒、呼吸信号检测等多项新功能，其多功能性的实现有利于推动纳米过滤系统的多方面应用。然而，基于绿色静电纺丝技术、过滤相关机理和特殊场景过滤的研究很少受到重视。未来，多功能过滤和传感膜将基于可穿戴技术、柔性电子和可持续材料等领域的进步得到进一步发展。

以上成果以“Advances in Nanofiber Filtration Membranes: From Principles to Intelligent Applications”为题，发表在Advanced Functional Materials上。

图1.电纺纳米过滤薄膜材料、结构与功能化。

图2.全球空气污染和过滤。A) 2020年全球年平均人口加权PM2.5浓度以及环境和家庭空气污染造成的过早死亡 (https://www.stateofglobalair.org/data/#/air/map)；B) 室外空气颗粒污染导致疾病的死亡百分比；C) 典型纤维过滤器的过滤过程和机制。

图3.空气过滤的发展。A) 基于纤维的空气过滤简史。B) 近几十年来关于空气过滤和静电纺丝的出版物数量。(信息来自Web of Science)

图4.未来工业静电纺丝中溶剂的回收系统。

图5.受自然结构启发的高效过滤膜。A) 受蜘蛛网启发的仿生结构过滤膜(经许可转载;版权所有2020，Wiley-VCH); B) 受蜻蜓翅膀启发的透明滤膜(经许可转载; 版权所有2023，美国化学学会); C) 受蜂窝启发的过滤膜(经许可转载;版权所有 2018，Elsevier); D) 受贻贝启发的湿粘滤膜(经许可转载;版权所有2020，皇家化学学会)。

图6.A) 用于监测人体日常呼吸活动的智能口罩示意图(经许可转载; 版权所有2022，Wiley-VCH); B) 红外摄像机检测到的智能呼吸器表面温度; C) 用于监测呼吸状态的智能呼吸器; D) 通过设计的智能呼吸器监测正常呼吸、深呼吸和咳嗽等生理信号; E) 智能呼吸器的便携式设计及其生理信号检测功能:多种生理信号的光谱图和波形，包括播放、停止、咳嗽和呼吸(经许可转载; 版权所有2023，美国化学学会)。

图7.基于纳米纤维的先进过滤系统的关键研究要素、主要挑战和发展路径。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202423284

来源：高分子科学前沿

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