DOI: 10.1002/adfm.201910426
顆粒物（PM）給全球經濟和公眾健康造成了沉重的損失，這也就要求空氣過濾器能夠從高溫排放源中去除PM。然而，創造一種既能有效且持久地捕獲多分散微粒（PFPs），又能承受高速氣流的理想過濾介質，是一項極具挑戰性的工作。本文報道了一種仿生且自下而上的方法，通過將半互穿聚合物網絡（semi-IPN）為基礎的納米纖維組裝成梯度結構，制備出超彈性、高強度和耐熱的納米纖維氣凝膠（NFAs）作為級聯過濾器。受源自剛性纖維素網絡的絲瓜海綿的啟發，NFAs的機械性能通過裁減耐熱半互穿聚合物網絡的鏈靈活性而得到增強。進一步構建梯度細胞結構賦予NFAs通用的級聯過濾行為以捕獲多分散的微粒。由此得到基于半互穿聚合物網絡梯度的NFAs具有溫度不變的超彈性、高壓縮應力（7.9 kPa）和模量（12 kPa）、高過濾效率（大于99.97%，PM0.3）、低壓降（約為膜的50%）和超高的持塵能力（114 g m-2）。這種有吸引力的材料的制備為設計用于工業除塵的下一代空氣過濾器鋪平了道路。
圖1.IPNFAs的設計和多層結構。a）IPNFAs制備步驟的示意圖。b）示意圖顯示了三個結構級別的納米纖維網絡的變化：PAI/BMI納米纖維表面的融合、半互穿聚合物網絡以及BMIs的聚合。c）PDM、BDM和BMP的網橋組。具有不同放大倍率的IPNFAs的SEM圖像，顯示d）均勻的細胞結構和e）纖維-纖維的結合點。f）PAI/BMIs半互穿聚合物網絡的tanδ與溫度的關系。
圖2.源自不同半互穿聚合物網絡的IPNFAs的壓縮彈性。a）來自不同IPN結構化納米纖維的IPNFAs的壓縮應力-應變曲線。b）從三個結構層面展示了IPNFAs的受力情況的示意圖：散裝氣凝膠、單個納米纖維和半互穿聚合物網絡。c）扁平薄膜的屈曲性能。d）單根纖維的模擬壓縮變形。e）三個半互穿聚合物網絡的交聯密度。f）BMIs異構體的數目。g）PDM、h）BDM和i）BMP主鏈中可旋轉鍵內部旋轉的勢能曲線。
圖3.PAI/PDM IPNFAs的壓縮彈性。a）在不同最大設置ε值下IPNFA的壓縮σ與ε曲線。b）在1000次循環疲勞測試中，IPNFA上幾個選定循環的σ–ε曲線。c）IPNFAs的儲能模量、損耗模量和阻尼比隨溫度的變化。d）由不同材料制成的3D整料的楊氏模量與密度之間的關系。
圖4.具有級聯過濾功能的梯度細胞結構IPNFAs。a）梯度IPNFAs的光學和SEM圖像顯示了宏觀連續性和逐漸致密的微觀結構。b）圖像顯示了IPNFAs的強大機械性能：IPNFAs可以承受較大的變形并完全恢復到原始狀態。c）非梯度和梯度結構單元對PFP的實驗過濾效率和d）模擬過濾過程。e）顯示顆粒-纖維相互作用模型的示意圖。f）非梯度和梯度結構單元內的模擬氣流分布。g）在非梯度和梯度多孔通道內的粒子運動。
圖5.級聯IPNFAs的實際過濾性能。a）不同氣流速度下梯度和非梯度IPNFAs對PM0.3的過濾效率和b）壓降。c）提出的壓降梯度系數與氣流速度的函數關系。d）空氣流速對兩種IPNFAs品質因子的影響。e）三維梯度IPNFAs和二維IPNFMs在長期過濾過程中對PM0.3的過濾效率和f）壓降。g）SEM圖像顯示了梯度IPNFAs的上、中、下層的顆粒分布。h）使用IPNFAs去除煙餅燃燒產生的高溫FPs的演示。i）梯度IPNFAs去除PM2.5和PM10的長期循環能力。j）不同濾料對PM2.5平均去除率的比較。
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