部品技术与应用建设科技CONSTRUCTION SCIENCE AND TECHNOLOGY2018年11月上总第371期1 前言随着现代化进程的加快，污染问题也越来越严重。

空气中漂浮的颗粒物浓度超标，由此形成的雾霾天气不仅影响人们的生活，更是严重危害人民的身心健康；水资源的匮乏也使得污水处理问题引起人们的极大关注。

因此，开发出有效拦截污染物的过滤材料是全世界共同的目标。

静电纺制备的纤维直径可达到微纳米级，且纤维直径在一定的程度上可以进行有效调控，大到几微米小到几十纳米。

静电纺丝纳米纤维因其优良的性能被引静电纺丝纳米纤维膜在过滤领域的应用研究方梦珍1 张弘楠1 覃小红1 匡宁2（1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.中材科技股份有限公司，江苏南京 210012）[摘要]静电纺丝纳米纤维膜具有很高的比表面积、孔隙率和通透性，在多个领域都有着不可替代的作用，尤其是过滤领域。

本文简要介绍了近年来国内外静电纺丝纳米纤维膜在空气过滤和液体过滤领域中的研究进展。

项目团队在功能型纳米纤维过滤材料研究及产业化方面取得的研究成果，展望了未来在被动式建筑室内空气质量提升方面的应用趋势。

[关键词]静电纺丝；纳米纤维膜；空气过滤；液体过滤；被动式建筑Progress in Application of Electrospun Nanofibrous Membranesfor FiltrationFang Mengzhen 1, Zhang Hongnan 1, Qin Xiaohong 1, Kuang Ning 2(1.College of Textile of Donghua University, Shanghai, 201620; 2.Sinoma Science & Technology Co., Ltd.,Nanjing, 210012, Jiangsu)Abstract : Electrospun nanofibrous membranes enjoy high specific surface area, porosity and permeability, and have an irreplaceable role in many fields, especially in the field of filtration. This review briefly summarizes the progress on application of electrospun nanofibrous membranes in the field of air filtration and liquid filtration in recent years as well as the achievements of the project team in the research and industrialization of functional nanofiber filtration materials. The application trend to improve indoor air quality in passive buildings in the future is prospected.Keywords : Electrospun, nanofibrous membrane, air filtration, liquid filtration, passive buildings入过滤领域，表现出极大的优势。

2 静电纺丝的发展静电纺丝即高分子流体在电场下受到静电力而拉伸成丝的过程，最终固化形成纤维。

其最早可以追溯到18世纪中，一种牛顿流体的静电雾化。

但是真正被世人认可的静电纺丝的开端是1934年Formhals 申请的关于纺丝装置的专利[1-3]，这是首次利用高压静电制备纤维的装置，其专利详细描述了高分子溶液如何在高压DOI: 10.16116/ki.jskj.2018.21.014总第371期建设科技部品技术与应用静电场中形成射流。

随后很长一段时间内，科研人员在静电纺丝的装置上做了大量的研究，发明了一系列的专利，但引起的关注并不大。

直到20世纪90年代，随着纳米技术的发展，静电纺丝工艺作为一种简便有效地制备纳米纤维的方法引起人们的广泛关注。

美国阿克隆大学Reneker 团队对静电纺丝的纺丝过程，射流变化，纤维形态以及机械性能做了深入的研究[4-7]。

静电纺丝进入蓬勃发展的阶段，静电纺丝的研究主要分为四个方面：（1）不同聚合物的可纺性研究，工艺参数的影响和优化；（2）静电纺纳米纤维结构的调控；（3）静电纺纳米纤维的应用；（4）静电纺的批量化生产问题。

文章数量的增长速度达到每年两倍，到了最近几年，每年2000多篇文章被发表出来。

现如今已经有100多种天然的、合成的高分子聚合物被纺成微纳米纤维。

静电纺丝制备的纤维直径小，比表面积大，相对密度小，成膜后具有三维结构，有较高孔隙率，因而具有良好的过滤性、阻隔性、透气性和稳定性等。

根据纳米纤维膜的这些显著特征，其被广泛应用于过滤[8]、组织工程[9-10]、传感器[11-12]和防护[13-14]等方面，尤其是在过滤领域有着不可忽视的优势。

与熔纺相比，静电纺丝单个喷头的产量约是商业高速熔纺工艺的千分之一，约为0.01～0.1 g/h ，由于静电纺丝喷头之间电场相互干扰，高速熔纺中多喷头的排布方式也不再适用于静电纺丝，并且普通静电纺亚微米纤维粗细分布不均，孔隙大小也不均一，这抑制了纳米纤维膜在商业中的应用。

随着各类高产量静电纺丝喷头的出现，国内外逐渐涌现出一批开发静电纺丝亚微米纤维中试机及生产线的厂家，美国、捷克、日本和韩国等都致力于实现静电纺丝的产业化生产。

但是，目前市面上的各类静电纺丝中试机及生产线大多采用多针头纺丝组件，提高静电纺丝产能有限，且得到的亚微米纤维直径分布跨度很宽。

同时，多针头纺丝供液设备复杂、针头易堵塞等技术问题，导致无法连续生产。

以Elmarco 为代表的少数公司则开发了无针式多射流静电纺丝喷头静电纺丝生产线，有效地改善了多针头式生产设备面临的部分技术难题。

然而，上述静电纺丝设备需要面对的另外一个重要的工艺问题则是喷头的组装，因为静电纺丝喷头之间电场相互干扰，高速熔纺中多喷头的排布方式不再适用于静电纺丝。

东华大学覃小红团队[15]设计开发了相位补偿式成网静电纺丝连续生产线，采用相对静止电场设计方案，实现射流在纺程中电场稳定；采用金字塔形自由液面纺丝喷头，实现了高速横移纺丝液面形态持续稳定；采用纵、横向张力协调控制技术，实现基布在静电纺丝工作区域中平整，保证纤网在CD 方向和MD 方向都无折痕，提高产品稳定性和使用性能。

该生产线的生产率约为200 m 2/h ，比传统的单针静电纺丝高出数百倍，极大地推动了静电纺丝纳米纤维产业化的进程。

此外，利用该生产线生产出的各种纳米纤维膜纤维直径离散小，分布均匀，在过滤领域取得不错的效果[16-17]。

3 静电纺纤维膜在过滤领域的应用纤维过滤器由于其结构简单和材料成本低而被广泛应用于过滤领域。

早在第一次世界大战时就出现了以石棉纤维作为滤料的防毒面具[18]。

通常情况下，过滤效率与过滤材料中纤维的细度有紧密的关系，当纤维直径≤ 0.5 μm 时，在压降不变的前提下，可有效提高纤维网的过滤效率。

一般非织造无纺基布的纤维直径为～12 μm ，而亚微米纤维直径为～250 nm ，两者相差约两个数量级。

静电纺纳米纤维纤维直径小，孔隙率高，在过滤方面有着广泛的应用前景。

根据过滤介质的不同，一般将过滤分为空气过滤和液体过滤。

目前静电纺纳米纤维在过滤领域主要应用在空气过滤和液体过滤，通过将杂质截留在膜的表面或者内部以达到净化目的。

3.1 空气过滤早在2007年Yun [19]等就证实了静电纺纳米纤维膜比之商用过滤膜在空气过滤方面有着明显的优势。

他们利用静电纺丝的方法制备出了平均直径在270～400nm 的聚丙烯腈（PAN ）纳米纤维膜。

与传统的由聚烯烃和玻璃纤维制成的商用过滤器相比，静电纺制备的纳米纤维直径更均匀。

测量纳米颗粒通过过滤器的渗透结果表明，静电纺丝纳米纤维膜制备的过滤器的过滤效率是纳米纤维膜厚度的函数，在与商业过滤器具有相同的过滤效率时，所需要的纤维膜的厚度更小质量更轻。

聚酰胺（PA ）[20]、聚碳酸酯（PC ）[21]、聚醚砜（PES ）[22]等多种静电纺丝纳米纤维过滤膜材料也相继被开发出来，其空气过滤性能均超过市场商业用过滤膜，几种静电纺丝纳米纤维膜的空气过滤性能如表1所示[23]。

但单一的纳米纤维膜普遍存在着随着纤维膜厚度增加滤效增加，滤阻也成指数增加的问题，随之还有纳米2018 No.21方梦珍等：静电纺丝纳米纤维膜在过滤领域的应用研究部品技术与应用纤维膜强度不高，不耐酸碱，不耐高温，容尘量少，寿命短，这就限制了膜过滤材料的使用范围。

现如今空气过滤用静电纺丝纳米纤维的研究集中在如何做到高效低阻；利用复合，改性或涂覆的方式以提高耐性，扩大适用范围；空气过滤用纳米纤维膜的多功能化，例如抗菌。

Gao等[17]通过可控制的多喷射自由表面静电纺丝制备出由三元结构组成的复合纳米纤维膜，包括支架纳米纤维，微球和薄纳米纤维。

微球增大了纤维间的空隙，降低了压降，直径为84nm的薄纳米纤维与支架纳米纤维交织在一起，提高了空气中颗粒的碰撞概率，保证了过滤性能。

所制备的复合膜显示出对NaCl气溶胶颗粒的过滤效率达99.99%，压降为126.7Pa。

Zhang等[24]以聚酰亚胺（PI）作为原料利用静电纺丝制备出了具有高热稳定性的纳米纤维膜，在25℃～370℃时，聚酰亚胺纳米纤维空气过滤器能够保持>99.5％的过滤效率，同时压降非常低，在现场试验中表明PI纳米纤维膜可以在高温下有效去除汽车尾气中的99.5%的PM颗粒物。

Lin等[25]通过静电纺丝制备出离子液体二乙基磷酸二氢铵（DEAP）改性的PAN纳米纤维，DEAP具有高粘度和亲水性，DEAP的改性有效地改变了PAN 纳米纤维的形态（粗糙度）和表面性质（亲水性），使得PAN/DEAP纳米纤维膜在封闭的静态系统中具有优异的PM2.5捕获能力。

Fang等[26]用大豆分离蛋白（SPI）/聚乙烯醇（PV A）体系静电纺丝制备了一种可生物降解的多功能空气过滤膜，纳米纤维膜的最佳材料比和面密度的加载过滤效率可达99.99％，并且显示出对大肠杆菌的抗菌活性。

实验证明具有适当材料成分和微观结构的SPI/PV A混合纳米纤维膜可用作新型高性能环保过滤材料。

Choi等[27]通过静电纺丝技术合成的草药提取物掺入（HEI）纳米纤维及其在抗菌空气过滤中的应用有效的空气过滤器，过滤效率为99.99％，对表皮葡萄球菌的抗菌活性为99.98％。