空氣中PM汙染已經成為最嚴重的環境問題之一，對公共健康構成了很大的威脅。PM2.5由於其較小的尺寸可以穿透人的肺部並進入人體循環系統，長期接觸PM汙染會導致心臟疾病，中風和肺部疾病，包括癌症。過濾膜是除塵技術中必不可少的部分，在現有的過濾膜中，與比非極性聚丙烯纖維相比，極性聚合物納米纖維如聚-丙烯腈（PAN）對PM具有更強的親和力和高捕獲效高。極性聚合物納米纖維膜可以使用薄的納米纖維膜，並具有良好的光學透明度和低氣流阻力。這樣的高效率的納米纖維膜不僅用於個人防護和建築通風過濾，也可以作為透明窗口下的自然屏幕通風。因此，來自史丹福大學材料與能源科學研究所的崔屹教授課題組通過電紡納米纖維膜構建了高效透明空氣過濾器，相關研究發表在Nano Letters上。
Figure 1. (a, b) Schematic showing the fabrication of transparent air filter by direct-spinning on a conductive mesh, and OM image of corresponding filter. Scale bar in b is 200 μm. (c, d) Schematic showing the fabrication of transparent air filter by transferring electrospun nanofiber film onto a plastic mesh and OM image of corresponding filter. Scale bar in c is 200 μm. (e, f) Schematic showing the transfer of freestanding electrospun nanofiber film and photograph of corresponding film. Scale bar in e is 5 cm.
圖1a是直接將電紡聚合物纖維紡到導電網絡上，但是導電網格高度不均勻的電場分布導致聚合物納米纖維沉積不均勻，這種不均勻的聚合物電紡纖維膜不利於作為空氣過濾器。因此，研究者通過用粗糙金屬箔代替金屬網作為收集器，然後將聚合物納米纖維從金屬箔上剝離後置於網格上(圖c)。與將納米纖維直接紡到到電網上相比，剝離的纖維分布更均勻，獨立的納米纖維網絡可以進一步傳輸到非平面或複雜幾何形狀的基底上，提高了膜的過濾效率。
通過保護連接點來保持轉移電紡納米纖維膜的完整性是一個挑戰。如圖2a和c所示，由於高的界面面積，纖維之間的接觸比纖維和平面基底之間的接觸弱得多。在轉移過程中，納米纖維與基板的較高接觸面積將失去與其他纖維接觸連接點而斷裂。所以要防止纖維網從轉移過程中的斷裂，關鍵是要降低纖維與基材之間的界面能。所以我們選擇電沉積表面具有微結構的銅箔作為基材以儘量減少納米纖維和基材之間的接觸，如圖2b和d所示。
此外，選擇聚合物也是至關重要的。如圖2e所示，在尼龍-6中重複單元的偶極矩是3.67，以確保納米纖維和PM顆粒之間的強結合，因此，其展現優異的過濾效率。此外，圖2f表明尼龍-6納米纖維膜具有優異的機械性能。
Figure 2. (a, c) Schematic and SEM image showing electrospun nanofibers on smooth copper foil. Scale bar in c is 2 μm. (b, d) Schematic and SEM image showing electrospun nanofibers on rough copper foil. Scale bar in d is 2 μm. (e) Molecular model and formula of Nylon-6 with calculated dipole moment. (f) Tensile tests of Nylon-6 and PAN electrospun nanofiber film, insets are photographs of two films at fracture point.
Figure 3. (a) Transmittance of filters of the same size (25 cm 2 ) fabricated by transfer method and direct-spin method at different electrospinning time. (b) Time required to obtain circular freestanding nanofiber films of 70% transmittance at different diameters through two methods. (c) PM 2.5 removal efficiencies of transparent filters from two methods at different transmittances. (d) PM 10?2.5 removal efficiencies of transparent filters from two methods at different transmittances. The error bar represents the standard deviation of three replicate measurements. (e, f) SEM images of Nylon-6 nanofibers before and after filtration. Scale bars in e and f are 2 μm. (g) Flow velocity field in the vicinity of an inhomogeneous nanofiber filter. Black spots represent for nanofibers with diameter of 100 nm. The air flow (0.2 m/s) comes from the bottom, and the top boundary is the outlet (1 atm). The spacing between nanofibers is sparse at the central and dense at the edge. (h) Flux at different spacing between nanofibers. Large spacing results in high flux and therefore high penetration of PM.
研究者將轉移法和直接電紡的纖維構建空氣過濾器進行對比，轉移法製備的納米纖維更均勻，且轉移法製備的電紡纖維表現出更好的過濾效果，且過濾器透光率更高（圖3c和d）。對於採用轉移法構建的透明濾鏡，PM 2.5捕獲效率極高，可以實現各種光學透過率：PM 2.5捕獲率，在?99％透光率下> 95.00％去除率，在?82％的透光率下去除率> 99.56％，在73％透光率的去除> 99.97％和對於PM 10-2.5去除率，?99％透光率下> 99.50％去除率。
Figure 4. (a) Photograph of a roll-to-roll process to transfer electrospun nanofiber film onto plastic mesh. (b) Photograph of a roll-to-roll produced transparent air filter. The scale bar is 5 cm. (c) Photograph showing that freestanding nanofiber film can be easily transferred onto a facemask. The scale bar is 3 cm.
轉移方法的快速和均勻性允許透明空氣過濾器適用於卷對卷工藝。如圖4a所示，納米纖維膜是不斷轉移到塑料網篩上。圖4b顯示了卷對卷製造的透明空氣過濾器，長為50釐米，寬10釐米，可以在住宅中充當窗戶屏幕過濾器。同時，轉移方法也可以用於獲得自支撐膜。 如圖4c所示，自支撐膜可以轉移到不平坦的基片上提高面罩的過濾效率。除了空氣過濾，自支撐膜也用於其他領域如透明電極，鋰離子電池，超級電容器，表面增強拉曼散射等等。
因此，研究者提出了一個可快速、大規模的製備電紡納米纖維膜的方法，基於此方法，實現了卷到卷生產具有較強的過濾性能並獲得自支撐的納米纖維薄膜，可用於商業過濾產品。這種大規模的轉移方式不僅會加快透明空氣過濾器的商業化，也會促進靜電紡絲的其他應用。
本研究由史丹福大學材料與能源科學研究所的崔屹教授課題組完成，並發表在Nano Letters上。