为了应对大气中可吸入细颗粒物（PM）如PM2.5甚至更小粒径的PM0.3所带来的多方面健康威胁，开发高性能空气过滤材料至关重要，然而制备同时兼具超高颗粒去除效率和超低空气阻力的过滤材料仍然颇具挑战针对这一难题，内蒙古科技大学赛华征教授团队巧妙地利用比现有过滤膜相中纤维尺寸显著减小的超细纳米纤维（直径20-30 nm），通过冷冻铸造技术加工出了可生物降解的细菌纤维素气凝胶膜，从而在PM过滤中实现了最佳的效率与阻力平衡。该过滤器在对应于正常人体呼吸条件的气流速率下（8 L min–1），实现了超高的PM0.3过滤效率（>99.99%）和仅22 Pa的超低压降。此外，通过化学气相沉积技术均匀沉积在纤维素纳米纤维丝表面的刚性二氧化硅层赋予了它们优异的弹性和防潮性。同时，该材料在堆肥土壤中6周内即可完全降解。总之，本研究为可生物降解的高性能纳米纤维空气过滤器的构建提供了新思路。
图1 MTMS-BCAMs的制备流程图及微观结构
该工作通过冷冻铸造在纯棉纱布框架内构建了具有超细纳米纤维网络结构的微生物纤维素气凝胶。这种独特的纳米尺度结构能够通过物理拦截和表面吸附的协同机制有效捕获空气中的颗粒物（PM），从而显著提高MTMS-BCAMs的PM过滤效率。同时，借助化学气相沉积（CVD）方法进行纳米纤维表面改性，赋予了气凝胶膜良好的疏水性和抗冲击能力。
图2 MTMS-BCAMs的过滤性能及过滤机制
由于其超高孔隙率和均匀的多孔结构，MTMS-BCAM保留了约50%的可见光透射率，与原始棉纱基材相当。基重（厚度×密度）随TBC含量的增加而增加，范围在20–30 g m−2之间，介于商用医用口罩（MM，31.7 g m−2）和N95熔喷口罩（MBM，24.5 g m−2）的核心层之间。MTMS-BCAM的水蒸气透过率显著更高（8396 g m−2 day−1），与MM、MBM和电纺膜相比分别提高了93%、73%和11%。在200 Pa的压力差下，MTMS-BCAMs的透气性高达187 mm s−1，相较于电纺膜几乎提高了两倍。在人体呼吸循环过程中，口罩过滤器的外表面温度从21.2 ℃（环境温度）上升到30.9 ℃，然后又恢复到近21.5 ℃，表现出优异的冷却能力，约为9.4 ℃。这些结果表明，与商业口罩相比，MTMS-BCAMs在呼吸过程中具有优越的热舒适性，这可归因于其高孔隙率和优异的水蒸气渗透性，有助于有效的热交换和散湿。在实际的工业应用中，过滤器需要具有特定的机械性能来承受不同的应力。因此MTMS-BCAM在90%应变下压缩后几乎完全恢复形状，并且在折叠、弯曲和缠绕下保持结构完整性。
图3 MTMS-BCAMs的过滤性能及过滤机制
MTMS-BCAMs表现出优异的过滤性能，在气流速度为32 L/min时，对PM0.3颗粒的过滤效率超过99.99%，且压降极低（68 Pa）。同时，其QF值高达0.158 Pa−1，这充分表明超细纤维素纳米纤维网络的设计显著提升了过滤性能。而且，该气凝胶膜在抵御水汽侵蚀、冷热变化、高风速冲击等方面也表现突出，在多种严苛条件下依然保持优异的过滤性能和较低的空气阻力。此外，气凝胶膜在连续多次过滤中也展现了突出的过滤效率，压降几乎不变。综合说明具有多尺度纤维结构的气凝胶膜平衡了过滤效率和压降之间的关系，有效提高过滤性能。优异的空气净化能力使其不仅有望应用于个人防护，而且也为其在超洁净室、环境保护等领域的应用提供了可能。
——转载《高分子科技》