文/徐渊强
纺织服装学院辛斌杰教授课题组的郑元生教授和徐渊强副教授围绕高温工业烟气净化、轻质保暖和极端环境个人防护等需求，通过纤维形态调控与多尺度结构设计，构建了兼具高效过滤、低空气阻力、耐高温和隔热保暖性能的新型微纳米纤维材料。相关成果先后发表于《Journal of Membrane Science》《Separation and Purification Technology》《Chemical Engineering Journal》和《Journal of Hazardous Materials》等国际期刊。
针对传统高温过滤材料难以兼顾过滤效率、空气阻力和热稳定性的问题，团队采用静电纺丝技术，将聚砜酰胺、聚丙烯腈与二氧化硅纳米颗粒相结合，并通过原位交联和界面增强策略，构筑了具有层级梯度结构和双峰纤维直径分布的耐高温纳米纤维膜。该材料对PM0.3颗粒的过滤效率达到99.98%，压力降仅为65 Pa；在250℃环境中处理12 h后，过滤性能仍保持良好。CFD模拟进一步揭示了梯度结构对气流分布和颗粒捕获行为的调控机制。相关成果以《Thermally stable multilevel nanofiber membranes with gradient architecture for high-temperature air filtration》为题发表于《Journal of Membrane Science》，侯晨阳为第一作者。
在此基础上，团队进一步将研究由二维纤维膜拓展至三维纤维网络。通过调控静电纺丝环境湿度和纺丝时间，团队直接制备出由卷曲纳米纤维相互缠结形成的三维多孔纤维海绵。优化后的材料对PM0.3颗粒的过滤效率超过98%，压力降低于60 Pa，在高气流速度和多次循环测试中仍保持稳定性能。与此同时，其丰富的孔隙结构和超低堆积密度能够有效抑制固体导热、气体导热、热对流及热辐射。在模拟皮肤测试中，该材料的保暖效果优于羊毛、聚酯纤维和羽绒，可使皮肤温度提高1-5℃，为寒冷环境下兼具呼吸防护与保暖功能的新型口罩及个人防护装备提供了材料基础。该成果以《3D nanofibrous sponge with curly fibers via electrospinning for thermally insulating air filter》为题发表于《Separation and Purification Technology》，朱蓓婕和邵佳纹为共同第一作者。
面向轻量化可穿戴保暖需求，团队还提出湿度辅助静电纺丝与氧化稳定相结合的制备策略，研制出具有多层拱形结构的三维纤维海绵。该材料体积密度约为7 mg/cm3、孔隙率约为99.3%，最低热导率达到0.019 W/(m·K)。材料在经历200次压缩循环后仍能保持良好形态和回弹性能，实现了超轻、高孔隙、低导热与力学稳定性的统一。模拟皮肤实验和三维传热模拟表明，其优异隔热性能主要来源于卷曲纤维网络对静止空气的有效储存、多层拱形结构形成的曲折传热路径以及大量固-气界面对热流的阻隔。相关成果以《3D-arched fibrous sponge for high-performance thermal insulation》为题发表于《Chemical Engineering Journal》，王凤英为第一作者。
在最新研究中，团队构建了由聚砜酰胺细纤维与耐高温复合粗纤维共同组成的双峰结构三维纤维气凝胶，实现了高温颗粒物过滤和隔热防护功能的一体化。该气凝胶孔隙率达到98.02%，对PM0.3颗粒的过滤效率为98.50%，压力降为84 Pa；在250℃下处理12 h后，仍保持较高的过滤效率。材料还表现出良好的耐酸碱腐蚀、油性气溶胶过滤和阻燃隔热性能，可适应高温、高湿及腐蚀性介质并存的复杂工业烟气环境。该成果以《3D bimodal-structured polysulfonamide fibrous aerogel with integrated high-temperature PMs filtration and thermal insulation properties》为题发表于《Journal of Hazardous Materials》，侯晨阳为第一作者。
系列研究围绕“纤维形态调控—多尺度结构构筑—过滤与传热机理解析—复杂环境性能验证”形成了较为完整的技术链条，推动静电纺纤维材料由单一过滤或保暖功能向高温过滤、隔热防护和环境适应等多功能融合发展，为冶金、化工等行业的高温烟气治理以及极端环境个人防护材料的开发提供了新的思路。
