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  近日，東華大學(xué)紡織科技創(chuàng)新中心俞建勇院士及丁彬研究員帶領(lǐng)的納米纖維研究團(tuán)隊在高溫空氣過濾用超彈納米纖維氣凝膠材料方面取得了重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《Semi-IPN biomimetic structure enables superelastic and thermostable nanofibrous aerogels for cascade filtration of PM_2.5》（DOI：10.1002/adfm.201910426）為題，發(fā)表于材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。該論文共同第一作者為紡織學(xué)院博士生李玉瑤和曹雷濤，共同通訊作者為丁彬研究員和斯陽研究員。

  霧霾污染已成為危害人類健康的主要元兇，如何從源頭上降低顆粒物排放濃度是當(dāng)前打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的工作重點(diǎn)。耐高溫空氣過濾材料因具有原料來源廣、結(jié)構(gòu)可調(diào)性強(qiáng)、易于規(guī)�；苽涞忍攸c(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、焦化、燃煤電廠等煙氣處理系統(tǒng)中，以實現(xiàn)超低排放的目標(biāo)。然而，現(xiàn)有高溫過濾材料多為微米級纖維無規(guī)排列而成的二維膜材料，面臨過濾精度低，過濾效率、空氣阻力、容塵量難以同步優(yōu)化等瓶頸問題。

圖1 基于半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的納米纖維氣凝膠的制備過程、微觀結(jié)構(gòu)及耐高溫性能

  面對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊以具有半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（semi-IPN）結(jié)構(gòu)的納米纖維為構(gòu)筑基元，利用纖維冷凍成型方法制備出了具有“級聯(lián)過濾”行為的超彈、耐高溫氣凝膠空氣過濾材料。通過調(diào)控由聚酰胺酰亞胺（PAI）和不同雙馬來酰亞胺（BMI）組成的semi-IPN結(jié)構(gòu)的分子鏈柔曲性，實現(xiàn)了納米單纖維力學(xué)性能和耐熱性的同步提升，這一想法是得益于“剛性纖維素網(wǎng)絡(luò)使得高孔隙率絲瓜絡(luò)具有良好的力學(xué)性能”的仿生理念。進(jìn)一步將semi-IPN基納米纖維進(jìn)行均質(zhì)分散、逐級冷凍干燥和粘結(jié)交聯(lián)，構(gòu)筑了具有梯度孔道結(jié)構(gòu)的氣凝膠，該材料具有“級聯(lián)過濾”行為：可實現(xiàn)對多分散顆粒物（如PM_2.5）的逐級選擇性捕集。

圖2 基于半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的梯度納米纖維氣凝膠材料的空氣過濾性能

  基于上述多尺度調(diào)控，所得semi-IPN基納米纖維氣凝膠具有高壓縮應(yīng)力（60%壓縮應(yīng)變時為7.9kPa），高壓縮模量（12kPa）和高溫（220℃）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可實現(xiàn)對高溫?zé)煔猓ㄍǔ?lt;200℃）中超細(xì)顆粒物的高效低阻過濾，其對最易穿透粒徑顆粒物（PM_0.3）的過濾效率高達(dá)99.97%，阻力壓降較同等克重的膜材料降低了50%，容塵量達(dá)到114 g m^?2，且經(jīng)20次循環(huán)過濾（PM_2.5）后性能穩(wěn)定，具有長效使用性能。

圖3 氧化硅納米纖維氣凝膠的仿生結(jié)構(gòu)及其彈性粘結(jié)網(wǎng)絡(luò)

  該項研究得到國家自然科學(xué)基金、中央高校-學(xué)科交叉重點(diǎn)計劃項目、纖維改性國家重點(diǎn)實驗室主任基金項目的大力資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201910426