近日，東華大學紡織科技創新中心俞建勇院士及丁彬研究員帶領的納米纖維研究團隊在高溫空氣過濾用超彈納米纖維氣凝膠材料方面取得了重要進展，相關研究成果以《Semi-IPN biomimetic structure enables superelastic and thermostable nanofibrous aerogels for cascade filtration of PM2.5》（DOI：10.1002/adfm.201910426）為題，發表于材料領域著名期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。該論文共同第一作者為紡織學院博士生李玉瑤和曹雷濤，共同通訊作者為丁彬研究員和斯陽研究員。
??霧霾污染已成為危害人類健康的主要元兇，如何從源頭上降低顆粒物排放濃度是當前打贏藍天保衛戰的工作重點。耐高溫空氣過濾材料因具有原料來源廣、結構可調性強、易于規模化制備等特點，被廣泛應用于鋼鐵、焦化、燃煤電廠等煙氣處理系統中，以實現超低排放的目標。然而，現有高溫過濾材料多為微米級纖維無規排列而成的二維膜材料，面臨過濾精度低，過濾效率、空氣阻力、容塵量難以同步優化等瓶頸問題。
圖1 基于半互穿聚合物網絡的納米纖維氣凝膠的制備過程、微觀結構及耐高溫性能
??面對這一挑戰，研究團隊以具有半互穿聚合物網絡（semi-IPN）結構的納米纖維為構筑基元，利用纖維冷凍成型方法制備出了具有“級聯過濾”行為的超彈、耐高溫氣凝膠空氣過濾材料。通過調控由聚酰胺酰亞胺（PAI）和不同雙馬來酰亞胺（BMI）組成的semi-IPN結構的分子鏈柔曲性，實現了納米單纖維力學性能和耐熱性的同步提升，這一想法是得益于“剛性纖維素網絡使得高孔隙率絲瓜絡具有良好的力學性能”的仿生理念。進一步將semi-IPN基納米纖維進行均質分散、逐級冷凍干燥和粘結交聯，構筑了具有梯度孔道結構的氣凝膠，該材料具有“級聯過濾”行為：可實現對多分散顆粒物（如PM2.5）的逐級選擇性捕集。
圖2 基于半互穿聚合物網絡的梯度納米纖維氣凝膠材料的空氣過濾性能
??基于上述多尺度調控，所得semi-IPN基納米纖維氣凝膠具有高壓縮應力（60%壓縮應變時為7.9kPa），高壓縮模量（12kPa）和高溫（220℃）結構穩定性，可實現對高溫煙氣（通常<200℃）中超細顆粒物的高效低阻過濾，其對最易穿透粒徑顆粒物（PM0.3）的過濾效率高達99.97%，阻力壓降較同等克重的膜材料降低了50%，容塵量達到114 g m?2，且經20次循環過濾（PM2.5）后性能穩定，具有長效使用性能。
圖3 氧化硅納米纖維氣凝膠的仿生結構及其彈性粘結網絡
??該項研究得到國家自然科學基金、中央高校-學科交叉重點計劃項目、纖維改性國家重點實驗室主任基金項目的大力資助。
??論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201910426
微信二維碼
