一种用于过滤PM0.3微粒的多级梯度垂直多层纤维空气过滤膜

本发明涉及过滤材料生产，特别涉及一种用于过滤pm0.3微粒的多级梯度垂直多层纤维空气过滤膜。

背景技术：

1、随着大气污染问题的日益严峻，空气中悬浮的颗粒物（pm）对生态环境可持续发展和公众健康构成了深远的威胁。在众多空气污染物中，亚微米气溶胶（如pm0.3，空气动力学直径约为0.3 μm）的空气动力学尺寸恰好处于最易穿透粒径范围内。这类微细颗粒物极易避开人体呼吸系统的天然防御屏障，深入肺部并最终进入血液循环，诱发严重的健康隐患。因此，开发能够高效捕集这类具有极高穿透性微粒的高性能空气过滤材料显得至关重要。

2、目前，市售的商业化防护装备（如n95呼吸防护口罩）通常依赖驻极体熔喷无纺布来拦截pm0.3。然而，传统熔喷纤维的直径普遍在微米级别，且材料内部的孔径较大，这导致单层熔喷材料对pm0.3的初始捕集效率难以达到99%以上的极高水平。在现有技术的工程实践中，为了进一步提升颗粒物捕集率，通常采取增加滤膜厚度或多层滤材复合叠加的策略。然而，这种简单的结构堆叠不可避免地会导致气流阻力（即压降）急剧上升，在实际应用中表现为呼吸阻力增大、佩戴舒适度严重下降，同时也会显著增加材料的消耗与生产成本。

3、近年来，静电纺丝技术因其能够制备微纳米级纤维膜而受到广泛关注。静电纺丝形成的微纳纤维网络具有超高的比表面积和可调的孔隙尺寸，是构建高性能空气过滤材料的理想选择。在静电纺丝领域，聚丙烯腈（pan）因其优异的成丝性、扎实的力学性能以及强偶极矩带来的静电吸引力，常被用作颗粒拦截的可靠骨架。然而，这类传统的石油基聚合物在生产和废弃处理过程中具有较大的环境足迹，不符合绿色环保的发展趋势。虽然诸如生物基聚酰胺56（pa56）等环保材料的引入可在保持良好纺丝性的同时赋予滤材优异的生物降解性，但如何通过合理的结构设计将不同聚合物的优势有机结合，并彻底打破空气过滤中“高效率”与“低阻力”之间的互斥性瓶颈，仍是目前静电纺丝过滤材料领域亟待解决的技术难题。现有技术中，虽然有研究尝试通过多层梯度设计来缓解这一矛盾，但在超细纳米纤维尺度上，致密的网络仍容易产生明显的气流阻滞。

4、因此，如何通过结构工程在纳米尺度下进一步优化孔径分布、诱导纤维形成复杂的空间拓扑形貌以促进气体滑移效应，从而在确保pm0.3超高拦截率的同时，显著降低空气阻力并提升循环使用寿命，是当前高性能绿色空气过滤材料研发中所面临的核心挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于过滤pm0.3微粒的多级梯度垂直多层纤维空气过滤膜，通过空间分层结构工程，将气流管理与粒子捕集功能独立分离，在实现对pm0.3超高捕集效率的同时，保持了极低的空气阻力与优异的循环使用寿命。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种用于过滤pm0.3微粒的多级梯度垂直多层纤维空气过滤膜，通过以下方法制备而得：

4、（1）配制初级骨架层纺丝液：将聚丙烯腈溶解于有机溶剂中，混合均匀获得第一前驱体溶液；

5、（2）配制高效拦截层纺丝液：将pa56和金属盐溶解于有机溶剂中，混合均匀获得第二前驱体溶液；

6、（3）构建初级骨架层：将所述第一前驱体溶液进行静电纺丝，在接收装置上沉积形成初级骨架层；

7、（4）构建高效拦截层：在所述初级骨架层上继续顺序静电纺丝所述第二前驱体溶液，利用金属盐诱导的流体射流不稳定性产生二次喷射，在所述初级骨架层表面垂直沉积形成富含纳米分支的高效拦截层，得到多级梯度垂直多层纤维空气过滤膜。

8、本发明是通过顺序静电纺丝工艺在同一接收装置上连续一体化成型，制备得到多级梯度垂直多层纤维。

9、所述高效拦截层是通过在pa56前驱体溶液中引入金属盐离子，提高溶液电导率和表面电荷密度，在静电纺丝工艺中利用流体射流不稳定性触发二次喷射，从而诱导形成具有二维纳米网或多级分叉的纳米分支拓扑形貌。

10、本发明首先构建了由微米和亚微米纤维（直径为0.65~1.31μm）组成的鲁棒主骨架，以提供宽敞的气流通道；随后，利用流体射流不稳定性，在主骨架上沉积了由亚微米纤维（约130nm）和纳米纤维（约28nm）组成的双峰高效拦截层。这种多尺度垂直分层设计实现了气流管理与粒子捕集的功能分离，在拓宽孔径分布的同时，保障了高效的流体渗透性。测试表明，该多层纤维膜对pm0.3的过滤效率超过99%，且压降仅为88.3pa，品质因数达0.055pa-1。本发明成功打破了传统空气过滤材料在高效率与低阻力之间的制约关系，在空气净化领域具有广阔的应用前景。

11、本发明制备得到的空气过滤纤维膜，具有优异的过滤效率和较低的初试压降，并且具有良好的循环过滤稳定性。过滤膜整体对pm0.3微粒的初始过滤效率≥99%，且流体通过时的初始压降≤88.3pa，且在经历20次连续过滤循环后，对pm 0.3的过滤效率保持在99.78% 以上，且压降≤118.3 pa。

12、第一前驱体溶液的组成为：聚丙烯腈1.6-3g，n,n-二甲基甲酰胺7-8.4 g。

13、第二前驱体溶液的组成为：pa56 1.5-3.5g，甲酸6.5-8.5 g，金属盐0.1-0.3g。

14、所述金属盐为可溶性金属盐，选自kcl、cacl2、mgcl2和nacl中的一种。

15、步骤（3）中静电纺丝的参数为：纺丝电压15-25kv，纺丝速率0.5-2.5ml/h，纺丝距离10-25cm，纺丝温度25-35℃，纺丝湿度30-50%。

16、步骤（4）中静电纺丝的参数为：纺丝电压15-25kv，纺丝速率0.5-2.5ml/h，纺丝距离10-25cm，纺丝温度25-35℃，纺丝湿度30-50%。

17、所述初级骨架层具有由微米纤维和亚微米纤维交织形成多尺度粗放孔隙结构。

18、所述高效拦截层具有由亚微米纤维和纳米分支纤维交织而成的双峰孔径拦截网络。高效拦截层中，亚微米纤维直径约为125-135 nm，纳米分支纤维的直径约为25-350 nm。

19、所述初级骨架层中的纤维直径范围为0.65μm至1.31μm；所述高效拦截层中的纳米分支的纤维直径范围为25-30nm。

20、所述多级梯度垂直多层纤维空气过滤膜对pm0.3微粒的初始过滤效≧99%，且流体通过时的初始压降≦88.3pa。

21、本发明的有益效果是：

22、1、本发明通过顺序静电纺丝构筑了垂直多层结构，将“气流管理”与“粒子捕集”功能进行空间隔离。底层的pan粗放骨架提供了宽阔的气体通路，拓宽了整体孔径分布；顶层的pa56超细纳米分支网负责精准拦截。两者协同实现了高渗透性与超高拦截率的统一。

23、2. 借助滑移效应大幅降低压降：通过引入金属盐成功诱导出了直径仅约 28 nm的超细二维纳米分支网络。这种微观形貌显著增大了过滤膜的比表面积，并有效触发了气体分子在纤维表面的滑移效应，在促进颗粒物碰撞沉积的同时，最大程度降低了气流传输阻力。

24、2、本发明对最易穿透的 pm0.3 微粒过滤效率超过 99%，而气流压降仅为 88.3pa，超过传统熔喷及常规单一组分静电纺丝膜。并且具有优异的耐用性与循环寿命：该层状结构赋予了材料出色的循环耐受力。在经历 20次连续过滤循环后，对pm0.3的捕集效率依然稳固保持在 99.78%以上，且压降仅微幅上升至118.3 pa，展现出工业应用与商业化防护价值。