众所周知，纳米纤维膜由于具有小孔径和高比表面积，具有很好的颗粒物过滤性能，被用作很多防霾神器的过滤层。不过，在使用一段时间后这种纳米纤维膜不可避免会出现较大压降。一些科学家将多个纳米纤维膜层叠在一起制备出了3D的过滤介质，获得了更高的过滤效率，然而其依然存在随使用时间的增长，过滤效率和压降降低的问题。
近日，来自苏黎世应用科学大学等机构的研究人员发表了一项研究成果，他们利用静电纺丝法制备了纳米纤维，并用其制备成了纳米纤维气凝胶，并可以有效控制其孔隙率和微观结构，将其用作过滤器，发现其具有很高的过滤效率，且在高过滤速度时不会显著降低过滤效率。
据该研究论文，这种3D纳米纤维气凝胶的制备过程如下：
首先是纳米纤维膜的制备。通过将4g Pul和6g PVA溶解在90g水中来制备复合Pul/PVA复合纳米纤维。使用静电纺丝机对溶液进行静电纺丝。纳米纤维被圆柱形电极和16cm的收集器纺成80kV高压的纳米纤维膜。在静电纺丝过程中，温度和湿度分别为26±3°C和26±4％RH。 最终可以获得直径为240±55nm的均匀纳米纤维。
纳米纤维气凝胶制备的主要步骤
随后制备纳米纤维气凝胶。对于热交联后表观密度为48.91mg/mL，孔隙率为96.64％的纳米纤维气凝胶的制备过程如下：将10mg先前制备的纳米纤维膜切成约1×1cm2的小块，并分散在100mL 1,4-二恶烷中。将纳米纤维膜片进一步切割，并通过匀浆器在13000rpm下分散20分钟以获得纤维长度分布为48.8±30μm的纳米纤维。随后将均匀分散的纤维倒入模具中，抽真空并以特定速率冷冻。然后将冷冻的固体冷冻干燥48小时得到纳米纤维气凝胶。最终将原始纳米纤维气凝胶在180℃下热交联40分钟。通过控制冷冻条件可以制备不同孔径的纳米纤维气凝胶。
研究人员提出的不同过滤介质的过滤机理示意图
研究人员研究了不同过滤器的过滤性能特征和机理，他们认为不同介质过滤的机理不同，对于单独的纳米纤维主要以扩散、拦截、妨碍来捕获颗粒，而纳米纤维膜过滤时粒子的扩算速度很短，在高粒子负荷下会在主要孔隙中很快形成滤饼。纳米纤维气凝胶过滤则与前两者不同，其通过二级孔径获得了很大的扩散通道，表现为错流过滤的形式，能够有效降低压降和增加容尘量。
进一步研究人员发现，通过调整纳米纤维气凝胶的孔隙率，可以将渗透颗粒数量减少1000倍。他们通过在纳米纤维气凝胶中引入分层开孔结构，粒子的扩散速度不再成为过滤器过滤效率的限制因素，因此可以在很高的面速度下稳定工作，当面速度增加到6cm/s时，过滤效率仍能保持在10的高因子范围。
气凝胶用于过滤的场景并不新鲜，但是来自欧洲的这些科学家们对其过滤机理全面的研究值得称道，并且该团队获得了具有商业应用级别过滤性能的纳米纤维气凝胶，有望推进其在工业领域的广泛应用，堪称下一代高性能过滤器。
来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
文献链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.8b00455
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