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  在火災(zāi)救援等高溫極端環(huán)境中，高濃度顆粒物與窒息性有毒氣體并存，嚴(yán)重威脅救援人員的呼吸安全。針對傳統(tǒng)濾材在高溫下穩(wěn)定性不足、難以實現(xiàn)塵毒協(xié)同防護的問題。近日，中國礦業(yè)大學(xué)何新建教授與徐歡副教授團隊提出了一種多尺度取向鎧甲化策略，構(gòu)筑出了兼具耐高溫性與高選擇性凈化能力的聚乳酸活性納纖膜。該材料實現(xiàn)了對顆粒物的高效過濾及對CO₂、SO₂等毒害氣體的精準(zhǔn)吸附，為“塵毒共防”呼吸防護材料的發(fā)展提供了新思路。

  2025年12月22日，相關(guān)成果以“Multiscale Orientation Armoring Strategy to Heat-Resistant and High-Selectivity Nanofiber Membranes for Fireground Emergency”為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上（DOI: 10.1021/acsnano.5c16047）。論文第一作者為2022級博士生王存民，合作者包括中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院王小蕾研究員，揚州大學(xué)高杰峰教授，以及西安交通大學(xué)楊書桂教授。該研究獲國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目資助。

摘要圖：聚乳酸活性納纖膜實現(xiàn)耐高溫以及顆粒物與毒害氣體一體化共防

多尺度取向鎧甲化策略賦能耐高溫高選擇性納米纖維膜

  研究團隊提出了一種面向火場等極端環(huán)境的多尺度取向鎧甲化策略，通過立構(gòu)復(fù)合晶誘導(dǎo)取向、界面極化增強電荷存儲及多孔晶體鎧甲化協(xié)同凈化，構(gòu)建兼具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與電學(xué)活性的納米纖維防護膜。該策略在高壓電場與高速牽伸協(xié)同作用下，實現(xiàn)聚乳酸納米纖維在分子鏈、偶極子及纖維尺度上的多級取向重構(gòu)，顯著提升材料的耐高溫性能。進一步引入氨基修飾MOF晶體鎧甲化與界面誘導(dǎo)極化效應(yīng)，使單一膜材料協(xié)同實現(xiàn)有毒氣體選擇性吸附與顆粒物高效過濾。

多尺度取向鎧甲化納米纖維膜的結(jié)構(gòu)特征

  該研究通過多尺度取向鎧甲化構(gòu)筑策略，實現(xiàn)了從分子鏈與偶極取向調(diào)控到納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化的跨尺度構(gòu)筑。在靜電紡絲過程中引入立構(gòu)復(fù)合晶作為取向與交聯(lián)單元，在高壓電場與高速牽伸協(xié)同作用下，不僅提升了纖維成形穩(wěn)定性，還誘導(dǎo)聚乳酸分子鏈、C=O偶極及納米纖維沿軸向高度取向，并顯著增強了纖維結(jié)構(gòu)有序性與耐高溫能力。以取向纖維為鎧甲化基底，將氨基修飾的高選擇性MOF晶體均勻錨定于纖維表面，顯著提升材料對CO₂、SO₂等有毒氣體的吸附能力，并構(gòu)筑穩(wěn)定的纖維–晶體協(xié)同界面。界面誘導(dǎo)極化效應(yīng)實現(xiàn)電荷持續(xù)積累，使膜在保持良好通透性的同時協(xié)同實現(xiàn)顆粒物高效過濾與氣體污染物選擇性去除，為火場等嚴(yán)苛環(huán)境下的高效呼吸防護提供堅實基礎(chǔ)。

多尺度取向鎧甲化納米纖維膜的高活性與功能優(yōu)化

  在微觀結(jié)構(gòu)性能調(diào)控基礎(chǔ)上，研究進一步完成了膜在孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)與宏觀性能上的系統(tǒng)優(yōu)化。通過高密度微孔與超微孔的協(xié)同構(gòu)筑，形成豐富的吸附位點，為有毒氣體的高效捕獲提供分子級保障。高選擇性MOF晶體在纖維表面的均勻負(fù)載略微降低了孔隙率的同時增強了表面活性，使水分子易于滯留于纖維界面，從而提升對極性污染物的吸附效率。經(jīng)多尺度鎧甲化構(gòu)筑的納米纖維膜在保持優(yōu)異空氣通透性的同時，展現(xiàn)出優(yōu)異力學(xué)強度，為高溫、高塵毒等復(fù)雜環(huán)境下的長期高效防護奠定堅實基礎(chǔ)。

多尺度取向鎧甲化納米纖維膜的有害氣體濾除與高選擇性分離性能

  得益于精準(zhǔn)的多尺度取向纖維調(diào)控及晶體鎧甲化化負(fù)載，本研究實現(xiàn)了納米纖維膜對有害氣體的高效捕獲與選擇性分離。氨基修飾的MOF晶體均勻負(fù)載于纖維表面，使膜對CO₂和SO₂表現(xiàn)出顯著吸附親和力，SO₂吸附能力尤其突出。膜在常溫及高溫條件下均保持優(yōu)異選擇性分離性能，可有效區(qū)分CO₂、SO₂與N₂，實現(xiàn)氣體精準(zhǔn)截留與清潔釋放。多次吸附–解吸循環(huán)后仍能保持近乎原始吸附能力，顯示出復(fù)雜環(huán)境下長期高效防護與可重復(fù)使用潛力。

多尺度取向鎧甲化納米纖維膜的耐高溫性能

  多尺度取向鎧甲化策略顯著增強了膜在高溫條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與熱力學(xué)性能。在120?°C下長時間暴露仍能保持纖維平整無明顯收縮變形，優(yōu)異耐熱性主要歸功于MOF晶體支撐作用與物理交聯(lián)效應(yīng)，有效限制聚乳酸鏈段運動，抑制纖維熱變形。膜的結(jié)晶度與界面相互作用增強，進一步提高熱穩(wěn)定性，并賦予優(yōu)異熱舒適性，在模擬光照下表面溫度低于未鎧甲化膜。剛性骨架與界面增強效應(yīng)，使膜在高溫環(huán)境下長期維持穩(wěn)定防護性能，為極端工況下呼吸防護提供可靠保障。

多尺度取向鎧甲化納米纖維膜的細(xì)微顆粒物濾除性能

  MOF均勻鎧甲化及納米纖維界面極化效應(yīng)賦予膜強大表面電荷儲存與持久電場，可高效捕獲PM_0.3和PM_2.5。在32 L/min流速下，PM_0.3過濾效率達99.12%，PM_2.5達99.95%，即使在高流速或120?°C高溫下仍保持PM_0.3過濾效率99.15%，壓力降僅輕微增加，展現(xiàn)優(yōu)異空氣通透性與高效過濾平衡。纖維膜在高塵環(huán)境長時間運行或多次清洗后仍可維持超過99%過濾效率，顯示長期使用穩(wěn)定性與可靠性。

結(jié)論

  本研究基于多尺度取向鎧甲化策略，成功構(gòu)筑了一類兼具耐高溫、高效顆粒物過濾與有害氣體選擇性吸附功能的多尺度取向鎧甲化納米纖維膜。該材料通過納米纖維多尺度取向調(diào)控、立構(gòu)復(fù)合晶強化及MOF鎧甲化，實現(xiàn)了從分子鏈到宏觀纖維網(wǎng)絡(luò)的跨尺度優(yōu)化，顯著提升了膜層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、表面電荷儲存及孔道活性。實驗結(jié)果顯示，膜材料在常溫下對PM_0.3、PM_2.5的過濾效率分別高達99.12%和99.95%，對CO₂與SO₂的吸附能力也顯著增強，同時在120?°C高溫環(huán)境下仍能對PM_0.3保持高達99.15%的過濾效率，展現(xiàn)出長期穩(wěn)定的防護性能。該研究為高溫、復(fù)雜環(huán)境下的可持續(xù)空氣凈化與呼吸防護提供了可靠的材料解決方案，具有廣泛應(yīng)用前景。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c16047

作者介紹

王存民：中國礦業(yè)大學(xué)2022級博士研究生，主要研究高性能纖維及其在安全防護領(lǐng)域研究。相關(guān)成果已在《ACS Nano》、《Journal of Hazardous Materials》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《煤炭學(xué)報》等國內(nèi)外高水平期刊發(fā)表，并多次獲得校級一等學(xué)業(yè)獎學(xué)金。

何新建：中國礦業(yè)大學(xué)職業(yè)健康研究院院長，江蘇省粉塵治理與職業(yè)防護工程研究中心主任，應(yīng)急管理部有限空間事故調(diào)查指導(dǎo)專家組專家，國家“萬人計劃”青年拔尖人才、江蘇省特聘教授、國家重點研發(fā)計劃首席科學(xué)家，美國注冊安全專家（CSP），美國注冊工業(yè)衛(wèi)生專家（CIH）。長期從事職業(yè)安全健康的科學(xué)研究與教學(xué)工作，主要研究領(lǐng)域包括氣溶膠科學(xué)、個體防護技術(shù)、職業(yè)危害暴露控制等。形成了以全身型高效防護裝備、應(yīng)急救援降溫服為代表的多項科研成果，發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文近100篇，三次獲得美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會個體防護研究約翰-懷特（John M. White Award）學(xué)術(shù)獎。先后擔(dān)任美國職業(yè)衛(wèi)生學(xué)會呼吸防護委員會主席、美國NIOSH特聘客座研究員、國際呼吸防護期刊JISRP副主編等。

徐歡：先后畢業(yè)于南昌大學(xué)、四川大學(xué)、瑞典皇家理工學(xué)院，獲雙博士學(xué)位，長期從事高分子材料形態(tài)與性能調(diào)控的理論基礎(chǔ)和加工方法研究，圍繞高分子形態(tài)控制機理、特殊結(jié)構(gòu)成型方法與多學(xué)科交叉應(yīng)用開展系列工作，已發(fā)表研究論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利20余件，入選2025全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。研究獲得國家自然科學(xué)基金青年和面上項目，國家重點研發(fā)計劃，江蘇省基礎(chǔ)研究計劃重點項目，國家能源集團十大科技攻關(guān)項目等資助支持。獲2021年貴州省自然科學(xué)獎三等獎，2022年首屆全國博士后揭榜領(lǐng)題金獎，2023年第二屆全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎，2025年第三屆全國博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銅獎，2025年第十九屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽江蘇省二等獎、全國二等獎等科研獎勵。