纤维基空气过滤介质具有良好的互连孔结构，在拦截微小气溶胶颗粒方面具有突出的优势。静电纺丝制备的纳米纤维膜具有纤维直径小、孔隙率高、比表面积高、微观结构可控等显著优点，有利于提高对细颗粒的过滤效率。聚酰亚胺（PI）具有较高的芳香族杂环和功能性亚胺键，具有较强的机械性能和结构可设计性。此外，PI具有较高的热稳定性和阻燃性，在高温空气过滤领域具有极大的应用潜力。
齐鲁工业大学（山东省科学院）材料科学与工程学部先端材料基因组创新团队采用静电纺丝技术和浸渍法制备了一种高效耐高温的多功能空气净化器材料。将β-CD嵌入到PI纤维中，利用强大的氢键作用力将Cu-MOF晶体组装在纤维表面，以构建层次化的多孔结构。含有酰胺键的二胺单体在PI骨架中共聚，以激活PI的表面惰性。利用β-环糊精(β-CD)作为PI纤维诱导剂，通过氢键作用实现Cu-MOF的自组装，这种依靠分子间作用力驱动材料自组装可提高纤维膜的力学性能。Cu-MOF的引入降低了PI纤维膜压降的同时，还可提高了PI滤膜对PMs的过滤效率。
图1 PI/CD-MOF纳米纤维膜的制备示意图
纳米纤维过滤器中，β-CD可以有效调节Cu-MOF晶体的自组装行为，PI/CD-MOF过滤膜具有优异的热稳定性、高比表面积(84.124 m2/g)和丰富的孔结构，在过滤细小气溶胶颗粒和吸附CO2气体方面具有显著优势。该过滤器在32 L/min的气速下对PM0.3具有优异的过滤效率(99.85%)和较低的压降(136 Pa)，且具有优异的高温稳定性（300℃）、长期过滤稳定性和阻燃性能。其次，由于Cu-MOF突出的开放金属位，该过滤器在CO2吸附方面表现出最佳性能，PI/CD-MOF的CO2吸附体积为14.2002 cm3/g，是PI膜的3.5倍。此外，基于非对称水润湿驱动机制，还组装了双层复合纳米纤维膜，实现了单向水传输。该策略对多功能新型高温空气过滤器纤维膜材料的研究具有一定的指导意义。
图2滤膜(PI、PI/CD、PI-MOF和PI/CD-2-MOF)：(a) 对不同粒径颗粒物的过滤效率，(b)对PM0.3的压降和质量因子QF变化关系；(c) PI滤膜和PI/CD-MOF滤滤膜的过滤机理；(d) PI/CD-2膜对PM0.3的过滤效率；(e)不同浸渍时间对压降和QF的影响；(f)双层空气过滤膜的长期过滤稳定性。
该研究成果以“自组装分级多孔纳米纤维膜用于高效高温空气过滤及单向水传输”（Self-Assembly-Dominated Hierarchical Porous Nanofibrous Membranes for Efficient High-Temperature Air Filtration and Unidirectional Water Penetration）为题，发表在国际知名期刊《膜科学》（Journal of Membrane Science）上。齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部硕士生魏文慧为文章第一作者，导师张兴双为文章的通讯作者。
本研究得到了国家自然科学基金青年基金项目、山东省重大创新工程、山东省自然科学基金面上等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.121996