透明聚氨酯纳米纤维滤料：高效PM2.5捕获助力洁净空气
摘要
细颗粒物（PM）严重影响人类生活，如危害健康、气候和生态环境。近年许多研究者利用静电纺丝制备纳米纤维空气滤料高效去除细颗粒物。然而，将聚合物纤维均匀静电纺丝到窗纱上目前仅在实验室实现，产业化仍面临巨大挑战。本文报道一种利用旋转珠喷头大规模静电纺丝热塑性聚氨酯（TPU）到导电网的方法，生产率达1000 m2/天。通过调节聚合物溶液中TPU浓度，纳米纤维基空气滤料PM2.5去除效率高达99.654%，光学透过率60%，接触角128.5°，通风率3480 mm/s。经10次过滤循环后去除效率仅下降1.6%。该基于TPU纳米纤维的透明空气滤料具备优异过滤效率和通风率，可有效保障居住建筑室内空气质量。
引言
细颗粒物（PM）由各种固体微粒和液滴组成，含数百种化学成分，主要包含水溶性离子、含碳化合物和其他无机化合物三大类。PM主要源于化石燃料和垃圾燃烧，富含有毒有害颗粒物。按颗粒气动直径分为PM2.5和PM10，分别指直径小于2.5 μm和10 μm颗粒。PM10在空气中停留几分钟至几小时，传播距离有限；PM2.5大气驻留时间长，可达数天至数周。即使落地也易被风吹回空气。呼吸过程中PM2.5进入人体积聚于气管或肺部，危害健康。PM2.5还显著影响气候和生态环境，如影响降雨过程。过去10年PM2.5污染日益严重，尤其是中国、印度等发展中国家。日常生活中人们常遭遇严重霾天，亟需防护措施。
当前防霾措施主要针对户外个人防护，如佩戴专业防尘口罩可有效过滤颗粒物。室内防护如通风系统和空气净化器昂贵、安装复杂且需定期更换滤芯。室内空气滤料因主动换气泵系统成本高，多用于商业建筑。近年两种面向居住建筑窗户被动通风的透明空气滤料进入消费视野。多孔膜滤料孔隙率低难实现高通风；纳米纤维空气滤料孔隙率可达70%，可实现高通风。实验室已制备多种纳米纤维窗纱保护室内空气质量。如Chen等人报道静电纺丝TPU聚合物空气滤料，PM2.5去除率98.92%，压降仅10 Pa。Khalid等人报道直吹技术制备纳米纤维窗纱，光学透明度80%，PM2.5过滤效率99%。Liu等人静电纺丝制备透明空气滤料，实现高通风和>95% PM2.5过滤效率。但这些研究停留在实验室，纳米纤维滤料工业化工艺研究较少。
近年来静电纺丝技术因低能耗、操作简单、环保制备纳米纤维受广泛关注。静电纺丝制备的纳米纤维膜具有高孔隙率、微纳通道互联和高比表面积。近期团队开发利用旋转珠喷头可量产TPU纳米纤维空气滤料。该滤料具备极高热稳定性、60%光学透明度、99.654% PM2.5去除效率、长寿命、低气流阻力（通风率3348 mm/s）和轻量化特性。
实验
材料与仪器
聚合物TPU购自德国拜耳公司，具撕裂耐磨和抗UV性能；基底导电网由青岛君达科技有限公司提供。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和丙酮由天津中和盛泰化工有限公司提供。扫描电镜（SEM Feiner高分辨专业版Phenom Pro）观察TPU纤维形貌。自动过滤性能测试仪FX3300 Lab Air-IV（上海立浦有限公司）评估过滤性能。AFC-131测试通风率（上海汇芬电子科技有限公司）。Thermo Scientific Nicolet iS5测量红外分析TPU纤维膜官能团。Theta光学接触角仪分析TPU纤维膜接触角。UV1901PC紫外分光光度计评估透光率（上海奥祥科学仪器有限公司）。
纳米纤维膜制备
TPU纳米纤维膜使用静电纺丝设备NES-1（青岛君达科技有限公司）制备，见图1a。主机长2350 mm、宽2200 mm、高2700 mm、重1980 kg。触摸屏西门子PLC，电压30 kV，纺丝宽度1.1 m。平均纤维直径约120 nm，纳米纤维膜面密度约0.5 g/m2。基底适用纤维素、合成纤维等，聚合物适用TPU、PVP、PAN等。静电纺丝原理见图1b，纳米纤维膜示意图见图1c。纺丝溶液将不同质量TPU溶于DMF与丙酮体积比1:1混合溶剂中；纺丝电压正压30 kV、负高压−30 kV，形成稳定喷射；基底移动速度10 m/min；纺丝距离控制200 mm。工艺温度25 °C，相对湿度50% RH。为获得不同平均直径纳米纤维，调节TPU溶液浓度6–16 wt%。同等条件下将TPU溶液静电纺丝到导电网上。不同浓度TPU纤维膜分别命名为TPU-6、TPU-8、TPU-10、TPU-12、TPU-14、TPU-16。
结果与讨论
形貌与结构表征
纳米纤维膜表面形貌是重要表征指标。SEM观察TPU纳米纤维膜形貌，电压10 kV。图2a–f展示6、8、10、12、14、16 wt% TPU浓度下纳米纤维膜微观形貌。6–12 wt%浓度范围（图2a–d）存在大小不一珠状纳米纤维，归因于低浓度TPU溶液分子链粘度低，喷射难以抵抗电场拉伸力；加之TPU分子链粘弹性，被电场拉伸的喷射聚集形成珠状纳米纤维。随TPU浓度增加，溶液粘度增大，静电纺丝形成纳米纤维而非珠状纤维，珠状纤维逐渐减少直至完全消失（图2e–f）。溶液粘度是影响纳米纤维直径关键参数。TPU浓度增加导致溶液粘度增大，纳米纤维直径随之增加（图2a–f）。TPU浓度>14 wt%时纳米纤维直径快速增加（图2e–f）。用NanMeasurer计算平均直径：TPU-6至TPU-16分别约0.10、0.12、0.14、0.17、0.34、1.97 μm。
傅里叶变换红外光谱分析
为确认制备TPU纳米纤维膜成分，进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析。预热设备1.5小时，压力15 MPa，电压220 V，环境温度20 °C、湿度40%，频率50 Hz，电流7.5 A。测试结果如图3，与基底聚氨酯红外光谱一致。3330.18、2960.51、1215.86 cm-1处强吸收峰表明存在N–H和C–H官能团。TPU纳米纤维表面具有疏水官能团，纤维膜表面光滑致密，制备透明空气滤料具备疏水功能。因TPU纤维膜疏水性，透明空气滤料可在雨天开窗使用。
过滤效率分析
过滤效率是评价透明空气滤料最重要参数。同等条件下测试不同TPU纤维膜过滤效率：温度20 °C，相对湿度40.6%，流量2.0 m3/h，PM污染物为气溶胶颗粒。图4a展示不同粒径PM分布及各样品过滤效果。过滤效率与PM粒径正相关。同等PM2.5粒径下（图4b），TPU浓度从6增至12 wt%时去除效率显著提升，归因于大直径纳米纤维编织膜更有效阻挡PM颗粒。但浓度从12增至16 wt%时，纤维间距增大和珠丝纤维消失导致去除效率显著下降。溶液浓度增加使静电纺丝喷射拉伸更困难变慢，导致TPU纤维膜孔径增大。图4c–e展示颗粒物穿透不同直径纤维膜过程。大直径纤维有效阻挡PM穿透，但TPU浓度过大导致纤维间距增大，反而降低过滤效率。TPU-12 PM2.5最高去除效率达100%（粒径≥0.525 μm），压降仅10 Pa。TPU-10 PM2.5去除效率99.654%。
通风率分析
保持高通风率是评价空气滤料性能重要指标。同等条件测试六样品通风率：测量面积20 cm2，压力200 Pa。图5a展示不同浓度TPU纳米纤维膜通风率，对应压降分别为6、15、12、10、7、9 Pa。通风率随溶液浓度6→8 wt%先降，8→14 wt%后升，14→16 wt%微降。影响通风率两主因：纳米纤维堆积密度和平均直径。堆积密度计算公式：α = W/(ρfZ)，其中α为堆积密度，W为基重，ρf为纳米材料密度，Z为膜厚。通风率初降主要因TPU纳米纤维平均直径增加（图5b、c）。浓度8→14 wt%时，纳米纤维堆积密度降低导致纤维间距增大，利于通风率提升，虽纤维直径增加（图5d）。14→16 wt%时纳米纤维直径起主导作用，通风率微降（图5e）。TPU浓度10 wt%时通风率达3480 mm/s，相当于无纳米纤维膜的空白网。
接触角分析
疏水性是评价空气滤料性能重要参数，用DSA法测5 μL液滴测得TPU纤维膜润湿性。图6a–f接触角分别为138.6°、133.4°、128.5°、122.8°、112.7°、107.7°（对应TPU-6至TPU-16）。所有样品接触角>90°，表明TPU透明空气滤料高度疏水，源于TPU纳米纤维膜表面疏水官能团、小纤维直径导致光滑表面和致密结构。但随TPU浓度增加接触角逐渐降低（图6g），因纤维膜表面粗糙度增大。纳米纤维膜接触角与表面粗糙度关系可用Wenzel方程理解：cos θ' = r cos θ，其中r为表面粗糙因子（实际面积/几何投影面积，r≥1），θ'为粗糙表面接触角。图6h–i显示随TPU浓度增加，纳米纤维直径增大，表面粗糙度增加，导致接触角降低。
透光率与重复性测试
透光率是透明空气滤料另一重要参数。六样品透光率测试结果见图7a。透光率随TPU浓度6→12 wt%先降，12→16 wt%后升。6→12 wt%时透光率逐渐降低，因初始浓度过低（如6、8 wt%）静电纺丝难形成纤维；浓度增加更利于纺丝形成更多纤维，纳米纤维直径增大、膜变厚，透光减少。此外低浓度下形成大量珠状物（图2a–d）不利透光。12→16 wt%时透光率逐渐升高，因溶液粘度增大纺丝逐渐困难产生纤维减少；且珠丝消失利于透光。透光率分别为80%、75%、60%、30%、45%、70%（对应TPU-6至TPU-16）。TPU-10兼具99.654%过滤效率和60%透光率。透光率>50%空气滤料可满足室内采光需求。图7b展示TPU-10纳米纤维膜60%透光率照片。
考虑长期过滤性能和高通风量是空气滤料关键因素，对TPU纤维膜循环测试过滤效率和通风率，结果见图8。图8a显示TPU-10纳米纤维膜PM2.5过滤10次循环综合去除效率误差棒。10次过滤后效率仅下降1.6%（从99.4%降至97.8%）。图8b显示不同浓度TPU纤维膜10次通气测试通风率误差棒。通风率缓慢变化无显著下降，10次呼吸测试后仅降约10 mm/s，通风效果极稳定。
结论
总之，利用旋转珠喷头静电纺丝制备可大规模生产的透明空气滤料。调节溶液中TPU聚合物浓度，不仅实现显著PM2.5去除效率（99.654%），还兼顾良好光学透明度（60%）和通风率（3480 mm/s）。经10次过滤和通气循环测试，过滤效率仅下降1.6%，通风率变化缓慢基本保持不变。结果表明静电纺丝制备TPU纳米纤维膜具备良好疏水性、光学透明度、高通风率和高过滤性能，可应用于多领域滤料材料。
数据与材料可用性
本研究期间生成或分析的所有数据均包含在已发表文章中。
纳米材料