摘要：静电纺丝纳米纤维膜对微细颗粒物具有较高过滤效率，因此被广泛用于空气过滤领域。静电纺丝过程中的高电压并没有使纳米纤维膜具有高表面电势，因此纳米纤维膜捕集颗粒物主要基于机械过滤机理而非静电吸附作用，这导致其过滤阻力较大。增加纳米纤维的静电势可实现纳米纤维膜对微细颗

苏黎世联邦理工学院Jing Wang教授：基于静电纺丝共纺技术制备静电增强型纳米纤维膜，实现对颗粒物的高效捕集

静电纺丝纳米纤维膜对微细颗粒物具有较高过滤效率，因此被广泛用于空气过滤领域。静电纺丝过程中的高电压并没有使纳米纤维膜具有高表面电势，因此纳米纤维膜捕集颗粒物主要基于机械过滤机理而非静电吸附作用，这导致其过滤阻力较大。增加纳米纤维的静电势可实现纳米纤维膜对微细颗粒物的高效低阻捕集。目前，提高静电纺丝纳米纤维静电势的主要方法是在静电纺丝溶液中添加电荷存储增强剂。然而电荷存储增强剂的成本较高，对纳米纤维形貌影响较大，且安全性有待确定。如何原位增强静电纺丝纳米纤维膜的静电势仍需进一步的深入研究。

近日，苏黎世联邦理工学院王京教授及沈阳理工大学郭颖赫副教授在期刊《Separation and Purification Technology》上，发表了最新研究成果“Charge characteristics of co-electrospun nanofiber membranes and their application in high-humidity environment”。研究者通过静电纺丝共纺工艺，制备出静电增强型纳米纤维膜。静电增强型纳米纤维膜在纤维交叉区域具有较高的电势，这被归因于共纺过程中电子得失能力不同的纳米纤维相互摩擦产生了感应电荷。

图1. 不同电子得失能力的聚合物共纺得到的纳米纤维及纳米纤维膜表面电势

在过滤阻力相同的情况下，静电增强型纳米纤维膜表现出了比普通纳米纤维膜更高的过滤效率，高表面电势是过滤效率得到增强的主要原因。部分共纺纳米纤维膜中（例如PA6/PVC纳米纤维膜）不同种类纳米纤维的电性存在相反的现象，正、负电荷共存对过滤效率也有一定的提升作用。

图2. 不同组合的共纺纳米纤维膜过滤效率

为了在实际使用过程中延长静电增强型纳米纤维膜的使用寿命，采用亲水性纤维层来减轻湿度对纳米纤维膜电荷衰减和压降增大的影响。在相对湿度为100%且存在液滴的条件下，受亲水性纤维层保护的纳米纤维膜的压降增长率低0.95Pa/ min。相比之下，普通覆膜滤料的压降增长率在5-120 Pa/min的范围内。此外，对亲水性纤维层进行了染色处理，其颜色会随着吸水量变化而改变，这可作为滤料使用寿命的指示标志。

图3. 亲水纤维层保护的静电增强型纳米纤维膜在高湿环境中的电势、过滤效率和阻力增长情况

图4. 亲水纤维层颜色随着吸水量增加而变化

此外，研究者分析了静电纺丝过程中纳米纤维的电荷来源和电荷衰减途径，为定向调控纳米纤维荷电状态提供了依据。

图5. 静电纺丝过程中纳米纤维的电荷来源与电荷衰减途径

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人物简介：

Prof. Jing Wang，苏黎世联邦理工大学（ETH Zürich）教授，环境工程学院空气质量和颗粒技术研究团队负责人，瑞士联邦材料试验和科研研究所（Empa）空气与颗粒技术课题组负责人。主要研究方向包括空气污染控制、纳米和生物气溶胶检测和排放控制、生物传感器和微流控系统开发、先进膜材料合成和应用、空气污染物检测及环境安全影响、空气和水过滤等。2011年获欧洲气溶胶学会Smoluchowski奖，担任期刊Aerosol Science and Technology副主编。

来源：小唐的科学讲堂