盡管我們已經(jīng)為空氣治理做出了很多努力，但許多發(fā)展中國家仍然面臨著嚴(yán)重的空氣污染問題?？諝馕廴驹谑澜绺鞯卦斐闪藬?shù)百萬的疾病和氣候變化。因此，減少空氣污染，將有助于構(gòu)建一個健康、可持續(xù)和公平的環(huán)境。高溫廢氣攜帶的特殊物質(zhì)（PM）是主要的空氣污染物之一，它可以滲透到我們的肺外器官，甚至作為COVID-19等病毒的傳播載體，導(dǎo)致全球大流行病擴(kuò)散。因此，開發(fā)低成本、長效、阻燃、高效的高溫廢氣中的PM_0.3過濾材料是至關(guān)重要的。低成本且難以溶解的納米纖維由于其出色的耐高溫性、耐腐蝕性、優(yōu)越的阻燃性和機(jī)械性能，在高溫過濾領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力。然而，由于大多數(shù)難溶聚合物的分子結(jié)構(gòu)是剛性的，大規(guī)模制備難溶納米纖維始終是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。一般來說，使用離子溶液來溶解難溶的聚合物，離子溶液通常是導(dǎo)電的，這限制了用電紡法大規(guī)模生產(chǎn)難溶的納米纖維。

圖1 世界實(shí)時空氣污染指數(shù)圖。數(shù)據(jù)來自IQAir，https://www.iqair.com/earth。采集時間：2022年8月18日凌晨1:00，北京時間

近期，清華大學(xué)伍暉教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Fiber Materials上發(fā)表了題為“Processing Nomex Nanofibers by Ionic Solution Blow-Spinning for Efficient High-Temperature Exhausts Treatment” 的研究成果。該工作實(shí)現(xiàn)了前驅(qū)體溶液導(dǎo)電的難溶性納米纖維的大規(guī)模制備，通過氣紡技術(shù)，原創(chuàng)性地制備了平均纖維直徑在100nm間位芳綸納米纖維過濾材料，過濾材料能夠在低氣阻下高效過濾200-280 ℃的高溫?zé)煔庵械?/span>PM_0.3，達(dá)到良好除塵的效果。氣紡技術(shù)制備的間位芳綸納米纖維膜具備高本征偶極矩、高過濾效能、低纖維直徑、低氣阻、高工作溫度、低密度、低成本、良好的酸環(huán)境穩(wěn)定性和力學(xué)性能、優(yōu)異的阻燃和離火自熄性能、可回收和高單位面積容塵量等多重優(yōu)勢，能夠安全、高效、穩(wěn)定、大規(guī)模地應(yīng)用于高溫?zé)煔猸h(huán)境。

該工作原創(chuàng)地報(bào)告了一種簡單的、可擴(kuò)展的、低成本的離子溶液氣紡方法，以制備難溶的間位芳綸納米纖維空氣過濾材料，用于長期、穩(wěn)定、高效的工業(yè)級高溫煙氣過濾應(yīng)用，主要優(yōu)勢如下：

圖2 間位芳綸和其它難以溶解的納米纖維前體溶液的制備

圖3 通過離子氣紡技術(shù)制備難以溶解的納米纖維膜

2. 間位芳綸納米纖維過濾材料擁有高效的PM過濾性能。間位芳綸納米纖維及膜材料呈現(xiàn)出4.87 D的高偶極矩和1.19的高Kn值，室溫下，在5.33 cm s^-1的氣流速度下，以189 Pa的低壓降和捕獲99.92%的PM_0.3。高效的間位芳綸納米纖維膜具有極少的材料消耗，99.92%過濾效率對應(yīng)的纖維膜面積密度僅為4.6 g m^-2。相比之下，為了達(dá)到類似的過濾性能，目前的商用PP和玻璃纖維過濾材料的面積密度分別為40.9 g m^-2和80.6 g m^-2。

圖4 間位芳綸納米纖維膜的特征

3. 高溫穩(wěn)定性。間位芳綸納米纖維膜在250 ℃時可捕獲99.5%以上的PM_0.3-10，在280 ℃加熱12 h后仍可捕獲99.36%的PM_0.3。間位芳綸納米纖維膜的工作溫度高達(dá)280℃，極限氧指數(shù)為28.39%，抗拉強(qiáng)度為4.36 MPa，在強(qiáng)酸性腐蝕環(huán)境中能長期保持良好的形態(tài)，對PM的過濾性能穩(wěn)定。此外，間位芳綸納米纖維膜在250 ℃下加熱15天后，對PM_0.3的捕獲效率在99.92%和99.94%之間波動。此外，高的極限氧指數(shù)和低的總熱量釋放（4.9 kJ g^-1）表明其具有良好的阻燃性和高溫安全性。

4. 可回收性。在高溫和室溫下使用的間位芳綸納米纖維膜可以用水或酒精清洗并重新用于過濾，也可以被LiCl/DMAc溶液系統(tǒng)重新溶解，反映了過濾材料的可回收性和可再生性。

圖5 間位芳綸納米纖維膜在室溫下的過濾性能