DOI:10.1016/j.jcis.2020.05.123
新興傳染病（EIDs）的頻繁爆發使個人防護過濾介質的需求量增大。電紡納米纖維材料由于纖維直徑小，經證實其對抵抗含病毒的細顆粒非常有效。但是，由于細纖維固有的緊密堆積特性，電紡濾膜的空氣阻力較高，因此呼吸舒適性較差。在此，研究者報告了一種仿生一步法，以構建名為納米羊毛的超細且卷曲的羊毛狀納米纖維，這種纖維表現出蓬松的體系結構和強大的駐極體效應。通過實現納米纖維的在線自卷曲和就地充電，卷曲的駐極體納米羊毛顯示出約0.6μm的小直徑（比天然羊毛低兩個數量級：約20μm）和98.7％的超高孔隙率，同時具有13260 V的超高表面電勢（比以前的過濾器高一個數量級）。結構優勢和強大的駐極體效應使納米羊毛表現出出色的過濾效果（對于PM0.3而言，大于99.995％）和較低的空氣阻力（55 Pa）。此外，納米羊毛還具有很好的可擴展性，不僅在個人防護口罩領域具有廣闊的工業前景，而且還為開發低成本、多功能形式的下一代羊毛鋪平了道路。
圖1.設計原理和所得納米羊毛材料。（a）示意圖描述納米纖維水分輔助在線自卷曲的概念。具有設計相對濕度的三種靜電紡絲條件觸發了三種不同結構的組裝：具有串珠結構的緊湊型納米纖維膜（NFMs），由直納米纖維組成的常規NFMs和蓬松納米羊毛。（b）用粘彈性麥克斯韋啞鈴系統建模的電紡射流，由恩肖不穩定性驅動的射流擾動。（c）說明從粘性流體到固體纖維的演變。SEM圖像顯示了水分輔助策略的概念證明：（e）相對濕度為30％時串珠狀結構的PVDF納米纖維，（f）相對濕度為60％時通常為直PVDF納米纖維，以及（g）相對濕度為90％時羊毛狀卷曲PVDF納米纖維。
圖2.蓬松的架構以及改進的過濾和機械性能。（a）PVDF-30 NFMs、（b）PVDF-60 NFMs和（c）PVDF-90 NWFs的側視圖。（d）在不同RH條件下獲得的PVDF納米纖維材料的孔隙率和（e）表面電勢（20次試驗的誤差估計）。（e）的插圖顯示了表面電勢的測試示意圖。（f-h）分別由濕度（f）30％、（g）360和（h）90％制備的單個纖維周圍的歸一化靜電場強度。（i）在不同的相對濕度下制備的PVDF納米纖維材料的過濾性能（3次測試的誤差估計）。（j）3D模擬，顯示氣流通過PVDF-60 NFMs和PVDF-90 NWFs時的壓力場。（k）在不同的相對濕度條件下制備的PVDF納米纖維材料的拉伸性能（10次試驗的誤差估計）。（l）PVDF-90 NWFs的SEM圖像顯示了纖維之間的環間現象。
圖3.具有增強的駐極體效應的NWFs和原位充電機制。從HAP濃度為（a）0.25、（b）0.5和（c）1 wt％的溶液中獲得的PVDF NWFs的SEM圖像。（d）PVDF/HAP NWFs的纖維直徑以及與天然羊毛的比較（300次試驗的誤差估計）。（e）各種HAP濃度制備的PVDF NWFs的表面電位（20次試驗的誤差估計）和（f）XRD圖譜。（g）描述擬議的靜電紡絲三相駐極體機理的示意圖：（i）PVDF的雙極取向和（ii）射流飛行過程中PVDF和HAP之間的Maxwell-Wagner效應和（iii）固化納米纖維內的電荷分離。
圖4.NWFs的空氣過濾性能及其應用前景。（a）PVDF NWFs的過濾效率和壓降與HAP含量的關系（3個試驗的誤差估計）。（b）模擬說明帶電和中性納米纖維對具有最大穿透尺寸（0.3μm）顆粒的過濾過程。（c）比較PVDF/HAP-0.5 NWFs、商業主流過濾介質和已經報道過的基于ESN的空氣過濾材料的過濾性能，表明當它們具有相同的過濾水平時，PVDF/HAP-0.5 NWFs節能效果更好。（d）比較商業過濾材料和NWFs的能源成本。（e）雷達圖顯示了自卷曲納米纖維、天然羊毛和商用空氣過濾材料之間的全面比較。（f）大規模生產NWFs及其所產生的空氣過濾器。
