作者：张抱朴 材料学院

指导老师：伍晖 材料学院

关键词：空气过滤、气纺法、高黏性、纳米纤维

摘要

随着我国工业化程度不断提升，空气污染日益成为不可忽视的问题，相关研究表明，我国每年死于空气污染引发疾病的人数约160万。此外，尚未得到彻底控制的新冠疫情使得口罩需求量激增。传统口罩为短周期消耗品，生产和处理环节给环境和资源带来额外压力。本项目用纳米纤维替代传统滤材。纳米纤维的高比表面积使之可通过物理吸附方式拦截微小颗粒物，在佩戴一段时间后通过消毒、洗涤以重复使用。以聚氨酯为原料，气纺丝为纺丝方法，制备出力学性能优异、耐水解、高黏性的纳米纤维。为兼顾过滤效率与佩戴舒适度，测试不同样品的过滤效率σ和压降ΔP，选择出最佳面质量密度。与N95滤层进行重复使用性能对比，循环方式为75%酒精喷洒3次后自来水浸泡20分钟，发现纳米纤维滤层的过滤效率更加持续和稳定，具备可重复使用的潜力。

图1 2014-2015年多地区年平均PM2.5浓度

图2 新冠病毒示意图

实验内容

     本项目按聚氨酯:N,N-二甲基甲酰胺:丙酮:曲拉通质量比21:58.5:19.5:1混合并搅拌4小时得到前驱体溶液，在喂液速度20μL、气流压强0.05Mpa下（图1）制备出平均粒径约为200nm的纳米纤维（图2）。气流通过滤层前后的压降ΔP和过滤效率σ是滤材性能的重要指标，为兼顾佩戴舒适感与防护效果，从三个样品中通过公式选择出最佳面质量密度，最终选择出面质量密度为29.41g/m²。以该密度与N95滤层进行可重复使用性能对比，重复使用方式为过滤测试后先用75%酒精溶液消毒，后用自来水浸泡20分钟以无害移除已吸附颗粒物，释放纤维表面吸附位点。待自然晾干后再次进行过滤测试，记录各自的过滤效率和压降。数据显示，N95滤层过滤效率随重复使用下降明显，而纳米

纤维滤层过滤效率则更为持久和稳定，表明纳米纤维在可重复使用方面的潜力。

图3 气纺装置示意图及纤维微观结构表征

图4 纤维粒径分布统计（样本数量150）

图5 最佳面质量密度选择

图6 纳米纤维与N95重复使用性能对比

应用前景

    本项目本项目滤层的突出性能为可重复使用。另外纳米纤维因具有极高的比表面积而兼具高黏性和高吸附量。气纺丝方法的高生产效率，因可重复使用而降低的经济成本，将使纳米纤维滤层的工业级别生产和实际应用成为可能。

基于上述性质，该滤层具有广阔的应用前景，如作为可重复使用的口罩滤层、工业废气过滤装置滤层和生化防护服。