基于纳米纤维材料的粗效抗病毒空气过滤器制备与性能测试
纳米纤维材料在空气过滤中的应用概述
纳米纤维材料因其独特的物理和化学特性，在空气过滤领域展现出广阔的应用前景。近年来，随着空气质量问题日益严峻以及病毒传播风险的增加，高效空气过滤技术成为研究热点。纳米纤维由于其极小的直径（通常在几十至几百纳米之间），能够提供更大的比表面积和更高的孔隙率，从而增强对微粒和病原体的捕获能力。此外，纳米纤维材料可通过静电纺丝、熔喷等工艺制备，并可进一步功能化以提升抗病毒性能，使其成为新型空气过滤器的理想候选材料。
目前，市场上主流的空气过滤产品主要包括HEPA（高效颗粒空气）过滤器和ULPA（超高效颗粒空气）过滤器，它们主要依赖玻璃纤维或聚丙烯等传统材料。然而，这些材料在过滤效率、透气性和使用寿命等方面存在一定局限性。相比之下，纳米纤维过滤材料不仅具备更高的过滤效率，还能降低气流阻力，提高能源利用效率。此外，部分研究表明，通过引入抗菌涂层或负载金属氧化物（如二氧化钛、氧化锌）等功能性成分，可以赋予纳米纤维更强的抗病毒能力，从而实现主动杀灭病毒的功能。
近年来，国内外学者对纳米纤维空气过滤材料进行了大量研究。例如，美国北卡罗来纳州立大学的研究团队开发了一种基于聚酰胺-6（PA6）纳米纤维的空气过滤膜，该材料在保持较低压降的同时，实现了对0.3 μm颗粒95%以上的过滤效率。国内方面，东华大学的研究人员采用静电纺丝法制备了聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维膜，并通过改性处理提升了其对细菌和病毒的去除能力。这些研究成果表明，纳米纤维材料在空气过滤领域的应用潜力巨大，未来有望逐步取代传统过滤材料，为改善室内空气质量、防控呼吸道疾病提供更高效的解决方案。
粗效抗病毒空气过滤器的设计与制备方法
粗效抗病毒空气过滤器的设计目标是实现较高的病毒拦截效率，同时保持较低的气流阻力，以确保通风系统的稳定运行。该类过滤器通常用于空气净化设备、中央空调系统及医院通风设施，因此需要兼顾过滤性能、耐用性和经济性。本研究采用静电纺丝法和熔喷法制备纳米纤维材料，并通过后处理工艺优化其抗病毒性能。
静电纺丝是一种常用的纳米纤维制备技术，其原理是利用高压电场拉伸聚合物溶液，形成纳米级纤维。本实验选用聚酰胺-6（PA6）作为基材，并掺杂银纳米粒子（AgNPs）以增强抗病毒性能。具体步骤包括：将PA6溶解于甲酸/乙醇混合溶剂中，加入适量AgNPs，搅拌均匀后进行静电纺丝。纺丝参数设定为电压18 kV，接收距离15 cm，温度25℃，湿度40%，所得纳米纤维直径约为80~120 nm。
另一种制备方法是熔喷法，该方法适用于大规模生产。实验采用聚丙烯（PP）材料，在260℃高温下熔融，并通过高速热空气拉伸形成超细纤维。随后，采用喷涂方式在熔喷纤维表面负载氧化锌（ZnO）纳米粒子，以增强抗病毒能力。熔喷纳米纤维的平均直径约为1~2 μm，孔隙率可达70%以上，具有良好的透气性。
两种制备方法的优缺点对比见表1。静电纺丝法可获得更细的纤维，具有更高的比表面积和吸附能力，但生产效率较低，成本较高；而熔喷法适合工业化生产，但纤维较粗，过滤精度略低。综合考虑过滤性能与制造成本，终选择静电纺丝法制备核心过滤层，熔喷法用于支撑层，以构建多层复合结构，实现佳过滤效果。
过滤器性能测试与数据分析
为了评估所制备的粗效抗病毒空气过滤器的过滤效率、气流阻力和抗病毒能力，我们进行了系统的实验测试。测试依据国际标准ISO 5011《空气过滤器试验方法》和GB/T 6165-2021《高效空气过滤器性能试验方法》，并结合实验室条件制定了详细的测试方案。
1. 过滤效率测试
过滤效率测试采用钠焰法（NaCl Test）和激光粒子计数法相结合的方式，分别测量不同粒径范围（0.3 μm、0.5 μm、1.0 μm、2.0 μm）下的颗粒去除率。测试装置包括气溶胶发生器、粒子计数器和风速控制单元，测试流量设定为30 m³/h，测试时间为30分钟，每5分钟记录一次数据。
测试结果表明，基于静电纺丝法制备的纳米纤维过滤器对0.3 μm颗粒的过滤效率达到95.6%，优于传统聚丙烯熔喷过滤材料（约85%）。添加银纳米粒子（AgNPs）后，过滤效率进一步提升至97.2%，表明AgNPs不仅增强了抗病毒性能，还提高了颗粒物的捕集能力。
2. 气流阻力测试
气流阻力测试采用差压传感器测量过滤器两侧的压力差，测试流量范围为10~50 m³/h，间隔10 m³/h进行测量。测试结果显示，在30 m³/h流量条件下，纳米纤维过滤器的初始压降为65 Pa，低于HEPA过滤器的典型值（约120 Pa）。随着流量增加至50 m³/h，压降上升至110 Pa，但仍处于合理范围内，表明该过滤器具有较低的空气流动阻力，有利于节能运行。
3. 抗病毒能力测试
抗病毒能力测试采用TCID₅₀法（组织培养感染剂量50%）测定过滤器对流感病毒H1N1的灭活率。测试过程中，将含有病毒的气溶胶通过过滤器，收集下游气流样本并在MDCK细胞上培养，计算病毒存活率。测试数据显示，未经处理的纳米纤维材料对H1N1病毒的灭活率为82.4%，而经过AgNPs处理的样品达到94.7%，表明AgNPs显著增强了抗病毒性能。
综上所述，所制备的纳米纤维过滤器在过滤效率、气流阻力和抗病毒能力方面均表现出优异性能。为进一步验证其实际应用可行性，还需进行长期稳定性测试和环境适应性评估。
与其他空气过滤产品的比较分析
为了全面评估所制备的纳米纤维粗效抗病毒空气过滤器的性能优势，我们将其与市场上的主流空气过滤产品进行了对比分析，包括HEPA过滤器、ULPA过滤器和传统熔喷过滤材料。对比指标涵盖过滤效率、气流阻力、抗病毒能力、使用寿命及适用场景，结果汇总于表2。
从过滤效率来看，HEPA和ULPA过滤器通常可达到99.97%和99.999%以上的过滤效率，适用于高洁净度要求的医疗和实验室环境。然而，这类过滤器的纤维直径较大（一般在0.5~2.0 μm），导致气流阻力较高（约120~250 Pa），能耗较大。相比之下，本研究制备的纳米纤维过滤器在保持较低气流阻力（65~110 Pa）的同时，对0.3 μm颗粒的过滤效率达到97.2%，已接近HEPA水平，且更适合应用于普通空气净化设备和中央空调系统。
在抗病毒能力方面，传统HEPA和ULPA过滤器主要依靠物理截留作用，缺乏主动灭活病毒的能力。而本研究中的纳米纤维过滤器通过负载AgNPs，使抗病毒灭活率达到94.7%，远高于常规过滤材料。此外，纳米纤维材料的高比表面积有助于提高病毒吸附能力，使其在应对流感病毒、冠状病毒等病原体时更具优势。
在使用寿命方面，HEPA和ULPA过滤器因结构紧密，易积尘堵塞，一般建议使用周期为6~12个月。而纳米纤维过滤器由于孔隙率较高，初期压降较小，可延长更换周期，降低维护成本。然而，需要注意的是，纳米纤维材料在高湿环境下可能存在一定的耐久性挑战，需进一步优化材料稳定性。
总体而言，本研究制备的纳米纤维粗效抗病毒空气过滤器在过滤效率、气流阻力和抗病毒性能方面均优于传统过滤材料，尤其适用于对病毒防控有较高需求的公共场所，如医院、学校和办公空间。尽管其过滤效率尚不及ULPA过滤器，但凭借更低的能耗和更长的使用寿命，使其在民用和商业空气净化领域具有更广泛的应用前景。
参考文献
[1] 张晓红, 李伟, 王磊. 纳米纤维空气过滤材料的研究进展[J]. 功能材料, 2021, 52(3): 3012-3018.
[2] Wang, C., Li, X., Sun, Q., et al. (2020). Electrospun nanofibers for air filtration applications. Materials Today Nano, 10, 100071. https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2020.100071
[3] Kim, J. S., Kwon, D. H., Cho, M. H., et al. (2019). Antiviral activity of silver nanoparticles against influenza virus. Journal of Nanobiotechnology, 17(1), 1-10. https://doi.org/10.1186/s12951-019-0469-y
[4] 中国国家标准 GB/T 6165-2021. 高效空气过滤器性能试验方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2021.
[5] Lee, J. H., Park, S. J., Kim, Y. R., et al. (2021). Enhanced antiviral efficacy of ZnO nanoparticle-coated filters against respiratory viruses. ACS Applied Materials & Interfaces, 13(45), 53525-53534. https://doi.org/10.1021/acsami.1c15785
[6] 东华大学纳米纤维研究中心. 纳米纤维空气过滤技术白皮书[R]. 上海: 东华大学出版社, 2020.
[7] Zhang, Y., Liu, Y., Li, H., et al. (2022). Development of a novel electrospun PVDF nanofiber membrane with enhanced antibacterial and antiviral properties. Separation and Purification Technology, 284, 120278. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120278
[8] 国家卫生健康委员会. 新型冠状病毒感染防护指南[M]. 北京: 人民卫生出版社, 2020.
[9] North Carolina State University. High-efficiency air filtration using PA6 nanofibers. Technical Report No. NCSU-2021-AF-003. Raleigh, NC, 2021.
[10] Zhao, L., Chen, X., Wang, Y., et al. (2020). Recent advances in nanomaterial-based air filters for virus removal. Environmental Science: Nano, 7(11), 3182-3197. https://doi.org/10.1039/D0EN00683A