眾所周知，納米纖維膜由於具有小孔徑和高比表面積，具有很好的顆粒物過濾性能，被用作很多防霾神器的過濾層。不過，在使用一段時間後這種納米纖維膜不可避免會出現較大壓降。一些科學家將多個納米纖維膜層疊在一起製備出了3D的過濾介質，獲得了更高的過濾效率，然而其依然存在隨使用時間的增長，過濾效率和壓降降低的問題。
近日，來自蘇黎世應用科學大學等機構的研究人員發表了一項研究成果，他們利用靜電紡絲法制備了納米纖維，並用其製備成了納米纖維氣凝膠，並可以有效控制其孔隙率和微觀結構，將其用作過濾器，發現其具有很高的過濾效率，且在高過濾速度時不會顯著降低過濾效率。
據該研究論文，這種3D納米纖維氣凝膠的製備過程如下：
首先是納米纖維膜的製備。通過將4g Pul和6g PVA溶解在90g水中來製備複合Pul/PVA複合納米纖維。使用靜電紡絲機對溶液進行靜電紡絲。納米纖維被圓柱形電極和16cm的收集器紡成80kV高壓的納米纖維膜。在靜電紡絲過程中，溫度和溼度分別為26±3°C和26±4％RH。 最終可以獲得直徑為240±55nm的均勻納米纖維。
納米纖維氣凝膠製備的主要步驟
隨後製備納米纖維氣凝膠。對於熱交聯後表觀密度為48.91mg/mL，孔隙率為96.64％的納米纖維氣凝膠的製備過程如下：將10mg先前製備的納米纖維膜切成約1×1cm2的小塊，並分散在100mL 1,4-二惡烷中。將納米纖維膜片進一步切割，並通過勻漿器在13000rpm下分散20分鐘以獲得纖維長度分佈為48.8±30μm的納米纖維。隨後將均勻分散的纖維倒入模具中，抽真空並以特定速率冷凍。然後將冷凍的固體冷凍乾燥48小時得到納米纖維氣凝膠。最終將原始納米纖維氣凝膠在180℃下熱交聯40分鐘。通過控制冷凍條件可以製備不同孔徑的納米纖維氣凝膠。
研究人員提出的不同過濾介質的過濾機理示意圖
研究人員研究了不同過濾器的過濾性能特徵和機理，他們認為不同介質過濾的機理不同，對於單獨的納米纖維主要以擴散、攔截、妨礙來捕獲顆粒，而納米纖維膜過濾時粒子的擴算速度很短，在高粒子負荷下會在主要孔隙中很快形成濾餅。納米纖維氣凝膠過濾則與前兩者不同，其通過二級孔徑獲得了很大的擴散通道，表現為錯流過濾的形式，能夠有效降低壓降和增加容塵量。
進一步研究人員發現，通過調整納米纖維氣凝膠的孔隙率，可以將滲透顆粒數量減少1000倍。他們通過在納米纖維氣凝膠中引入分層開孔結構，粒子的擴散速度不再成為過濾器過濾效率的限制因素，因此可以在很高的面速度下穩定工作，當面速度增加到6cm/s時，過濾效率仍能保持在10的高因子範圍。
氣凝膠用於過濾的場景並不新鮮，但是來自歐洲的這些科學家們對其過濾機理全面的研究值得稱道，並且該團隊獲得了具有商業應用級別過濾性能的納米纖維氣凝膠，有望推進其在工業領域的廣泛應用，堪稱下一代高性能過濾器。
來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.8b00455
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