近些年，福州大学先进纤维团队一直致力于超浸润材料粘附可控方面研究(Adv. Mater. 2009, 21, 3799; Adv. Mater. 2013, 25, 1682; Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1707415; Adv. Mater. 2019, 31, 1806314; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2200359; Adv. Mater. 2022, 34, 2204581; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2302038; Chem. Soc. Rev. 2023, 52, 473; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2402853 etc)，并探讨了超浸润性膜材料在多相分离纯化等环境保护方面的工作(Energy & Environ. Sci. 2018, 11, 772; Chem. Eng, J. 2018, 333, 621; ACS Nano 2022, 16, 18018; Environ. Sci. & Technol. 2022, 56, 17288; Green Energy & Environ. 2023, 8, 673; Adv. Fiber Mater. 2023, 5, 1505; J. Membr Sci. 2023, 690, 122217; Matter 2023, 6, 3509; Adv. Sci. 2024, 11, 2305839; Nano Lett. 2024, 24, 2629; Mater. Today 2024, 75, 210)。

最近，福州大学赖跃坤教授团队前期工作基础上，创新地提出了射流劈裂静电纺丝新方法，构筑了超轻薄高性能纳米/亚微米双尺度纤维膜滤料（Nature Communications, 2024, 15, 1586）。近日，团队又进一步发展了耦合射流劈裂静电纺丝与滤料拓扑结构设计策略，可控地制备出一种双尺度纤维/串珠纤维三明治结构复合膜，同时赋予空气滤料高防护性和高舒适性，为聚合物纤维材料进一步突破直径极限、实现超细纳米化成型提供了新思路，同时也为舒适性防护空气滤料的设计和制备提供了新方法。相关研究以“Sandwich-structured bimodal fiber/bead-on-string fiber composite membrane for comfortable PM_0.3 filter”为题发表在Chemical Engineer Journal, 2024, 495, 15324。

本研究首先通过阳离子电解质调控聚合物分子链间相互作用，诱导静电纺丝射流发生劈裂，设计制备出由超细纳米纤维（直径约46 nm）和亚微米纤维（直径约155 nm）交织而成的双尺度纤维小孔膜，实现对PM_0.3的高效捕获。然后设计由小孔双峰纤维层和大孔串珠纤维层组成蓬松的三明治夹层结构膜，延长颗粒物在滤料三维曲折孔隙中的滞留时间，实现对PM_0.3的逐级过滤，从而提升捕获效率。而中间串珠纤维层可有效地防止超细纳米纤维的紧密排列，从而促进气流、湿气、热量等快速传输，提升滤料的热湿舒适性。所制备的三明治结构滤料对PM_0.3的过滤效率超过99.8%，压降低至65 Pa，QF高达0.097 Pa^-1。与此同时，其水蒸气透过率和透气性均较为优异（分别为7.6 kg·m^-2·d^-1，164.3 mm·s^-1）；并且在呼气时，三明治结构滤料的表面温度比商用口罩高出3.3℃，具有优异的散热性能。

此外，针对现有商业熔喷滤料对PM_0.3的过滤能力有限、过滤稳定性不足、且不可降解等突出问题，团队还基于电流体加工技术，采用可生物降解聚合物为原料，可控地制备出高效低阻的全降解多尺度微纳米纤维结构滤料，为环境友好型高性能防护滤料的设计提供了新方法。相关研究以“Engineering biodegradable bacterial cellulose/polylactic acid multi-scale fibrous membrane via co-electrospinning-electrospray strategy for efficient, wet-stable, durable PM_0.3 filtration”为题发表在Separation and Purification Technology, 2025, 352: 128143。

本研究采用静电纺丝与静电喷涂相结合的方法，设计制备出由聚乳酸微米纤维（15.7±1.0 μm）、聚乳酸亚微米纤维（244±51 nm）和细菌纤维素超细纳米纤维（52±11 nm）构成的多层可生物降解多尺度纤维膜滤料，实现了对PM_0.3超细颗粒物的多级高效过滤（99.89%），且其压降仅104 Pa。此外，得益于多尺度纤维结构设计带来的小孔径（1.27 μm）筛分和多级拦截作用，纤维膜滤料即使在高风速（85 L·min^-1）或高湿度环境（90% RH）下仍保持99.7%以上的过滤效率，表现出出色的过滤稳定性和耐久性。并且在酶促降解实验条件下，多尺度纤维膜滤料可在大约2小时内完全降解，具有优异的绿色可持续性。

颗粒物排放对大气环境的污染以及病毒传播对公共健康造成的安全风险成为了全球安全关注的重点问题。然而无论是处理工业烟气还是净化室内空气，膜污染问题亟待解决。气溶胶和粉尘等PM污染物易黏附在纤维表面，导致孔隙堵塞，增加过滤阻力和能耗，最终降低膜的过滤效率和寿命。基于提高纤维滤料在恶劣条件下的适应性，以及延长滤料使用寿命增加经济和环保效益的考虑，迫切需要制备具有防污，可循环使用功能的高效空气过滤纤维膜。

近日，福州大学赖跃坤教授&蔡伟龙研究员&黄剑莹教授在期刊《Environmental Science & Technology》上，发表了静电纺丝法结合点击反应构建无氟双疏SBS/PAN微/纳米复合纤维膜实现高效和可循环空气过滤的最新研究成果“Fluorine-Free Amphiphobic SBS/PAN Micro/Nanofiber Membrane by Integrating Click Reaction with Electrospinning for Efficient and Recyclable Air Filtration”。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.est.4c06225。

本文利用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）中的烯烃键与无氟硅烷中硫醇基团的点击化学反应以及低表面能长链硅烷作用，通过静电纺丝工艺可控构筑微米级双疏性SBS防污纤维膜。将PAN纤维膜与SBS防污膜的逐层组装制备了兼具高效过滤与可循环使用性能的SBS/PAN复合滤膜。由于具有类液状纤维表面和微/纳复合纤维结构的优点，SBS/PAN复合膜表现出优异的污染物防污性能和PM_0.3去除率97%以上的过滤效率。防污纤维膜在多次循环再生后仍然呈现出稳定高效的过滤性能。在粉尘过滤环境中的使用寿命比基底纤维膜增加约1.7倍。该工作可为防污及可重复使用的高效空气过滤器的设计提供重要参考。

以上系列研究工作均得到了国家重点研发计划(2022YFB3804905)和国家自然科学基金(22375047, 22378068, 22302110, 22075046)等项目的大力支持。