PA6纳米纤维膜与PS微球的协同双尺度工程：通过梯度组装实现高效、低阻力的空气过滤

《Process Safety and Environmental Protection》：Synergistic dual-scale engineering of PA6 nanofibrous membranes with PS microspheres: Gradient assembly for high-efficiency, low-resistance air filtration

　　

陈彦彦|李一鸣|方雷|鲍伟|方冠军

山东医学与健康纺织材料重点实验室 / 青岛大学纺织与服装学院，中国青岛266071

摘要

本研究提出了一种双尺度工程策略，结合了微尺度纤维调制和梯度组装技术，以克服空气过滤器中的效率与阻力之间的权衡。通过将三种不同直径的聚苯乙烯（PS）微球嵌入聚酰胺-6（PA6）纳米纤维中，采用溶液吹制法制备了PA6/PS复合膜。较大的微球使得纤维更加细腻，并形成了独特的“小孔径、高孔隙率”微观结构，从而在提高过滤效率的同时降低了压力损失。将这些定制的层组装成从大孔径到小孔径的梯度结构（LMS PA6/PS梯度膜），实现了从粗过滤到细过滤的连续过程。优化后的膜具有更高的过滤效率（99.98±0.016%）和更低的压力损失（130±1 Pa），其质量因子为0.067 Pa?1，优于均匀膜和N95–8210口罩，并且具有优异的湿气透过率（4715.19±132.45 g/(m2·24 h)。此外，与3 M N95–8210口罩相比，LMS膜在连续使用过程中的压力损失增加更为缓慢，这证实了其基于尺寸的分类捕获机制并延长了使用寿命。从整体污染控制的角度来看，延长的使用寿命减少了材料浪费，而且废弃的膜可以通过溶剂回收方法进行回收，避免了直接焚烧带来的二次污染，为减少个人暴露于有害颗粒物提供了可行的解决方案。

引言

空气中的颗粒物（PM），尤其是空气动力学直径≤2.5 μm的细颗粒（PM?.?），由于能够深入人体呼吸道并与心肺疾病相关联，对全球公共卫生和生态系统构成了严重威胁（Xing等人，2016；Meng等人，2026；Ham等人，2024）。因此，开发能够在保持低气流阻力的同时有效去除这些有害颗粒物的空气过滤材料，是环境科学和材料工程领域一个关键且持续存在的挑战。

纳米纤维膜因其高比表面积、可调的孔隙率和良好的机械性能而成为高性能空气过滤的最有前景的候选材料之一（Zheng等人，2022）。传统的提高其过滤性能的方法主要依赖于增加纤维堆积密度、基重或采用驻极体充电。然而，这些方法往往会导致压力损失急剧增加，或者由于电荷耗散而使过滤效率下降，体现了经典的效率与阻力之间的权衡（Zhang等人，2020；Gou等人，2024）。

为了应对效率与阻力之间的权衡，已经开发了多种策略，包括珠链结构和双模态纤维直径分布。最近，由两种不同直径的纤维组成的双模态纳米纤维膜作为一种可靠的多级过滤方法应运而生。粗纤维构建了足够的气流通道以降低阻力，而细纤维则能高效捕获细颗粒，从而实现轻量化和高性能过滤（Shao等人，2025；Chen等人，2025；Wang等人，2025；Zheng等人，2024）。此外，将微米级颗粒掺入纳米纤维中被认为是一种构建三维（3D）结构的有效方法。这些颗粒阻碍了纤维的紧密堆积，从而增加了膜的孔隙率并降低了气流阻力，同时保持了高过滤效率（Quan等人，2021；Zhang等人，2025a；Li等人，2025）。

尽管取得了这些进展，但采用这些方法制备的膜通常具有均匀的孔结构。在长时间运行过程中，这种均匀性缺乏对不同尺寸颗粒的“分级管理”机制，导致表面快速堵塞或深层污染，进而导致压力损失急剧增加，最终缩短了使用寿命（Zhang等人，2023）。受到自然界分层过滤系统的启发，例如哺乳动物的呼吸系统，其中连续的气道具有逐渐减小的横截面积和增加的过滤元件密度，构建具有梯度或异质孔结构的过滤器已成为前沿研究方向（Zhao等人，2025）。核心概念是设计一个孔径梯度，即面对污染空气的上游层具有较大的孔径和较低的纤维堆积密度，而下游层则逐渐变得更细更密。这种结构允许在最小阻力下进行初始颗粒加载和气流分布，随后在后续层中高效捕获细颗粒，有效分离了高效率和均匀的高阻力（Liao等人，2024）。与均匀膜相比，这种单向梯度已被证明可以显著降低整体压力损失，同时保持高过滤效率（Sandu等人，2022）。

然而，大多数现有的梯度膜仅限于梯度组装（例如，不同直径的纤维分层），而将梯度组装与微尺度纤维表面工程（例如，刚性微球嵌入）相结合的双尺度策略仍需进一步探索。本研究利用PS微球直径作为关键调节因子，同时调整微尺度纤维形态和梯度孔结构，超越了单一尺度设计的局限性。

本研究提出了一种新的双尺度工程策略，通过溶液吹制法制备高性能的PA6/PS微球膜，使用PS微球直径作为关键的结构调节因子。我们系统地阐明了微球直径如何决定纤维形成和单层孔结构。在此基础上，构建了具有可控孔径梯度的三层膜。LMS PA6/PS梯度膜在综合性能上取得了突破，表现出优异的过滤效率（99.983%）、低压力损失（130 Pa）和出色的稳定性。这种出色的性能归因于揭示的多尺度协同机制，即微尺度纤维修饰与孔径梯度设计的结合。这项工作为设计超越传统效率与阻力权衡的仿生高性能空气过滤材料提供了合理的途径。此外，这项工作还考虑了生命周期环境影响，追求高过滤效率和可持续的寿命管理。

章节摘录

材料

聚酰胺-6颗粒（PA6；介电常数：0.65；CAS：25038–54–4）和聚环氧乙烷（PEO；分子量：1000,000；CAS：68441–17–8）购自Macklin Biochemical Co., Ltd。平均直径为1 μm、3 μm和6.5 μm的聚苯乙烯（PS）微球由Hongfu Plastic Raw Material Co., Ltd.提供。甲酸（HCOOH；FA；分析纯度≥88%；CAS：64–18–6）和正丁醇（NBA；CAS：71–36–6）由Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.提供。异丙醇（IPA；CAS：

PS微球直径对纺丝溶液性质的影响

在溶液吹制过程中，纺丝液的物理化学性质——表面张力、粘度和悬浮稳定性——受到所掺入PS微球大小的显著影响，从而决定了最终的纤维形态。

如图2a所示，随着PS微球直径从1 μm增加到6.5 μm，PA6/PS溶液的静态表面张力从41.6 mN/m略微下降到41.35 mN/m。这种0.25 mN/m的微小变化可能归因于

结论

本研究提出了一种双尺度工程策略，结合了微尺度纤维调制和梯度组装技术，以克服空气过滤器中的效率与阻力之间的权衡。通过将PS微球大小作为关键的结构调节因子，获得了一种独特的“小孔径、高孔隙率”的均匀膜。将这些定制的层组装成从大孔径到小孔径的梯度结构（LMS PA6/PS梯度膜），实现了更高的过滤效率（99.98±0.016%）和更低的

CRediT作者贡献声明

陈彦彦：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、概念化。李一鸣：方法论、形式分析。方冠军：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、资金获取、形式分析。方雷：撰写——审稿与编辑、资源准备。鲍伟：监督、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了以下支持：（1）山东省关键技术研发计划，项目编号2023CXGC010504；（2）山东省关键技术研发计划，项目编号2023CXPT022；（3）国家生物纤维与生态纺织重点实验室，项目编号ZDKT202008和ZDKT202103；（4）青岛大学纺织加联合研究计划（FZ2024101）。