CN106999953B - 用于高效率pm2.5捕获的空气过滤器 - Google Patents

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Abstract

本文描述的是空气过滤器，其包括基底和沉积在基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中当光透射比在50％以下时，空气过滤器具有至少70％的PM2.5移除效率。本文还描述的是电空气过滤器，其包括适于接收第一电压的第一层，其中第一层包括涂覆有导电材料的有机纤维。进一步描述的是用于高温过滤的空气过滤器，其包括基底和沉积在基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中空气过滤器在至少70℃的温度下具有至少70％的PM2.5移除效率。

Description

用于高效率PM2.5捕获的空气过滤器
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年12月12日提交的美国临时专利申请号62/091,041的权益，其内容通过引用以其全部并入本文。
背景技术
空气中微粒物质(PM)污染物极大地影响人们的生活质量，并且它造成对公众严重的健康威胁以及影响能见度、直接和间接的辐射强迫、气候和生态系统。PM是极端小的颗粒和液滴的复杂混合物。基于颗粒尺寸，PM被分类为PM2.5和PM10，其分别指在2.5μm和10μm以下的颗粒尺寸。因为PM2.5由于其小的尺寸可以渗透人支气管和肺，所以PM2.5污染是特别有害的。因此，长期暴露至PM2.5增加了发病率和死亡率。最近，在拥有大制造工业的发展中国家诸如中国存在着严重的PM污染问题。图1A和1B分别显示了在清澈和雾霾日子期间北京某位置的图像。在雾霾日子期间，由于极高水平的PM2.5，能见度降低很多并且空气质量是不健康的。
公众在雾霾日子期间采取的措施主要聚焦在室外个体保护，诸如使用面罩过滤器，其常常是笨重的并阻碍气流。在室内空间，保护可在现代商业建筑中通过通风系统或中央空调中的过滤获得；住宅很少具有对PM的过滤保护。而且，由于大量使用泵送系统，所有这些通过机械通风的主动空气交换消耗巨大能源。如果待在室内而没有充分的空气交换，室内空气质量也备受关注。假如通过窗口的风的被动空气交换(即，自然通风)可被用来室内空气过滤，那么这将是理想的。由于窗口的大面积，空气交换是非常有效的。在窗口处的保护需要空气过滤器不仅拥有高的PM捕获能力，还需要拥有同时对来自太阳的自然光照和观景的高的光透明性。
空气中的PM2.5污染颗粒具有复杂的组成，包括来自不同来源的无机物质(诸如SiO2、SO4 2-和NO3 -)和有机物质(诸如有机碳和元素碳)，这些来源包括土壤灰尘、机动车排放、煤燃烧、二次气溶胶、工业排放和生物质燃烧。由于PM颗粒的化学组成、形貌和机械性质，其性状是不同的。一些坚硬的无机PM颗粒主要通过拦截和嵌塞在过滤器表面而被捕获。一些包含大量碳化合物或水——诸如来自燃烧废气的那些——的软PM将在过滤器表面上变形并且在附着至过滤器的过程期间需要更强的结合。然而，在现有空气过滤器技术中，还没有进行太多的工作来研究过滤器材料性质。经常使用的有两种类型的空气过滤器。一种是多孔薄膜过滤器，其类似于水过滤过滤器(参见图1C)。该类型的空气过滤器是通过在固体基底上制造孔制作的，其通常具有过滤掉较大尺寸的PM的非常小的孔尺寸，并且该类型的过滤器的孔隙率是低的(<30％)。因此，虽然压降大，但是过滤效率高。另一类型的空气过滤器是纤维状空气过滤器，其通过厚物理屏障和粘合的组合来捕获PM颗粒(参见图1D)。该类型的过滤器通常具有大于70％的孔隙率并且由许多层的从几微米至数十微米不同直径的厚纤维制作。为了获得高效率，该类型的过滤器通常被制作得非常厚。第二类型的过滤器的缺陷是笨重、不透明以及气流和过滤效率之间的妥协。
为了消除或减少进入空气的PM的排放，PM常常需要被从与高温相关联的来源移除。这需要能够高温空气过滤的技术。进一步，在工业中从废气移除高温灰尘是期望的，并且目前已经吸引了更多关注。然而，现有技术不能满足在高温下高效率PM2.5移除的需求。如图18D中所示，大部分工业灰尘收集器——诸如旋风分离器、涤气器和沉降池——仅仅对于移除大于10μm的颗粒有效，而它们对于小于10μm的颗粒无效。另外，在运行期间，旋风分离器、喷雾塔和文丘里涤气器消耗许多能源并具有大流动阻力(即，压降高)。静电除尘器具有高的构造和操作成本，并且它们的PM移除效率取决于PM性质，诸如尺寸、电荷状态和电导率等。虽然微米尺寸的纤维状过滤器对于小颗粒相对有效，但是大部分纤维状过滤器不能在高温下(一般<100℃)工作，并且具有大的压降。
由于现有技术将不能满足对高效率PM2.5过滤器的需求，存在对改进的需求。
发明内容
本文公开的是改进的聚合物纳米纤维过滤器技术，其具有高过滤效率、低气流阻力和轻重量的吸引人的属性，如图1E中所示。当需要它时，它还可以具有好的光透明性。据发现，当优化空气过滤器的表面化学以匹配PM颗粒的表面化学时，单纤维捕获能力增强，远远大于现有纤维状过滤器。因此，在空气过滤器中使用的材料可以显著地减少至透明水平，从而提供对日光的透明性和足够气流两者。再者，当纤维直径减少至纳米级别，而具有相同的堆积密度，颗粒捕获能力由于大表面积而显著地增加，其也确保薄得多的空气过滤器的有效PM捕获。注入聚合物纳米纤维的静电电荷对吸引PM颗粒至表面也是重要的。该改进的过滤器可以应用至所有类型的空气过滤情况，诸如个人面罩、空调、室内空气清洁机、建筑窗口、室外应用、汽车和工业过滤。通过控制空气过滤器的表面化学和微结构，实现透明、超薄过滤器，其在极端危险的空气质量条件下具有～90％的透明性以及>95％的PM2.5颗粒移除、～60％的透明性以及>99％的PM2.5颗粒移除和～30％的透明性以及>99.97％PM2.5颗粒移除。它还可以用于不需要任何光透明性需求的应用中。
高效率纳米纤维状空气过滤器
本文描述的本发明的一些实施方式的一个方面涉及空气过滤器，其包括基底和沉积在基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中空气过滤器具有至少50％的光透射比和至少70％的PM2.5移除效率。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有具有至少0.5德拜(D)或至少1D的偶极矩的重复单元的聚合物。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有具有至少2D的偶极矩的重复单元的聚合物。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有具有至少3D的偶极矩的重复单元的聚合物。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有具有至少3.5D、至少4D或至少5D和上至10D、上至12D或更多的偶极矩的重复单元的聚合物。适合的重复单元的实例包括含有极性基团的重复单元，诸如取代的烷基基团(如，取代有1、2、3或更多卤代基团或以下列举的其他极性基团)，取代的链烯基基团(如，取代有1、2、3或更多卤代基团或以下列举的其他极性基团)，取代的炔基基团(如，取代有1、2、3或更多卤代基团或以下列举的其他极性基团)，取代的芳基基团(如，取代有1、2、3或更多卤代基团或以下列举的其他极性基团)、羟基基团、酮基团、砜基团、醛基团、醚基团、硫代基团、氰基基团(或腈基团)、硝基基团、氨基基团、N-取代的氨基基团、铵基团、N-取代的铵基团、酰胺基团、N-取代的酰胺基团、羧基基团、烷基羰氧基基团、链烯基羰氧基基团、炔基羰氧基基团、芳基羰氧基基团、烷基羰基氨基基团、N-取代的烷基羰基氨基基团、链烯基羰基氨基基团、N-取代的链烯基羰基氨基基团、炔基羰基氨基基团、N-取代的炔基羰基氨基基团、芳基羰基氨基基团、N-取代的芳基羰基氨基基团、脲基团、环氧基团、唑烷酮基团和其带电荷或杂形式。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有具有酮基团和/或砜基团的重复单元的聚合物。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有包括腈基团的重复单元的聚合物。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括聚丙烯腈(PAN)。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有包括极性官能团(如，–CN、-OH、-CO-、-C-O-、-NO2、-NH-、-NH2等)的重复单元的聚合物。聚合物的重复单元的偶极矩越高，聚合物对PM颗粒的粘合性越好。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有小于1微米的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有10-900nm的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有20-800nm的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有30-700nm的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有50-500nm的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有100-300nm的平均直径。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维被电纺至基底。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维携带电荷。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维携带正电荷。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维携带负电荷。
在一些实施方式中，空气过滤器具有至少60％的光透射比。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少70％的光透射比。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少75％的光透射比。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少80％的光透射比。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少85％的光透射比。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少90％的光透射比。可以通过加权(weight)400至800nm的AM1.5太阳光谱表达透射比值以获得平均透射比值。透射比值还可以根据人视觉或光度加权的透射比、在给定波长或在可见范围内波长的范围诸如550nm或其他波长或波长的范围下的透射比进行表达。
在一些实施方式中，空气过滤器用于不具有光透明性需求的应用。空气过滤器具有小于60％、或30％、或10％、或5％的光透射比。
在一些实施方式中，空气过滤器具有至少80％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少90％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少95％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少98％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器具有99％至少的PM2.5移除效率。
在一些实施方式中，多层的空气过滤器可以被用于实现至少80％的移除效率。在一些实施方式中，多层的空气过滤器具有至少90％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，多层的空气过滤器具有至少95％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，多层的空气过滤器具有至少98％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，多层的空气过滤器具有至少99％的PM2.5移除效率。
在一些实施方式中，空气过滤器具有至少80％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少90％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少95％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少98％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器具有至少99％的PM10-2.5移除效率。
在一些实施方式中，空气过滤器在湿条件下保持其过滤效率。在一些实施方式中，空气过滤器在25℃下在60％的相对湿度下具有至少90％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器在25℃下在70％的相对湿度下具有至少90％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器在25℃下在80％的相对湿度下具有至少90％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器在25℃下在90％的相对湿度下具有至少90％的PM2.5移除效率。
在一些实施方式中，空气过滤器在长期暴露至PM2.5后保持其过滤效率。在一些实施方式中，空气过滤器在暴露至具有300的平均PM2.5指数和1英里/小时的平均风速的空气50小时后具有至少90％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器在暴露至具有300的平均PM2.5指数和1英里/小时的平均风速的空气100小时后具有至少90％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器在暴露至具有300的平均PM2.5指数和1英里/小时的平均风速的空气200小时后具有至少90％的PM2.5移除效率。
在一些实施方式中，空气过滤器进一步包括另一种或更多种材料。在一些实施方式中，空气过滤器进一步包括适于降解吸附在聚合物纳米纤维上的PM的催化剂(如，TiO2、MoS2)。在一些实施方式中，空气过滤器进一步包括适于杀死吸附在聚合物纳米纤维上的细菌和病毒的抗生物病原材料(如，Ag)。在一些实施方式中，空气过滤器进一步包括适于吸附和/或降解其他空气污染物(如，醛、NOx和SOx)的材料。
本文描述的本发明的一些实施方式的另一方面涉及包括本文描述的空气过滤器的空气过滤装置。在一些实施方式中，空气过滤器是可移除的、可拆卸的和/或可替换的。
在一些实施方式中，空气过滤装置是被动空气过滤装置。在一些实施方式中，空气过滤装置是窗纱(window screen)。在一些实施方式中，空气过滤装置是可穿戴面罩。在一些实施方式中，空气过滤装置是头盔。在一些实施方式中，空气过滤装置是鼻式过滤器。在一些实施方式中，空气过滤装置是建筑空气处理系统。在一些实施方式中，空气过滤装置是汽车空调系统。在一些实施方式中，空气过滤装置是工业废气过滤系统。在一些实施方式中，空气过滤装置是清洁房间过滤系统。在一些实施方式中，空气过滤装置是医院空气清洁系统。在一些实施方式中，空气过滤装置是室外过滤网。在一些实施方式中，空气过滤装置是香烟过滤器。
本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及用于制造本文描述的空气过滤器的方法，包括由聚合物溶液电纺聚合物纳米纤维至基底上。在一些实施方式中，聚合物溶液包括1-20wt.％的聚合物。在一些实施方式中，聚合物溶液包括3-15wt.％的聚合物。在一些实施方式中，聚合物溶液包括5-10wt.％的聚合物。
本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及制造空气过滤装置的方法，包括将本文描述的空气过滤器并入窗纱。本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及制造空气过滤装置的方法，包括将本文描述的空气过滤器并入可穿戴面罩。本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及改进室内空气质量的方法，包括在窗框中安装本文描述的窗纱。
电空气过滤器
本文还公开的是电/导电空气过滤器。因此，本文描述的本发明的一些实施方式的一个方面涉及电空气过滤器，包括适于接收第一电压的第一层，其中第一层包括涂覆有导电材料的有机纤维。
在一些实施方式中，第一层包括具有1000微米或更少的至少一个横向尺寸的微纤维。在一些实施方式中，第一层包括具有1微米或更少的至少一个横向尺寸的纳米纤维。在一些实施方式中，微纤维或纳米纤维包括含有包括极性官能团(如，–CN、-OH、-CO-、-C-O-C-、-SO2-、-NO2、-NH-、-NH2)的重复单元的聚合物。聚合物的重复单元的偶极矩越高，聚合物至PM颗粒的粘合性越好。在一些实施方式中，微纤维或纳米纤维包括选自尼龙、聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯乙烯(PS)或聚乙烯(PE)的聚合物。
在一些实施方式中，导电材料包括金属。在一些实施方式中，导电材料包括单质金属，诸如Cu。在一些实施方式中，导电材料包括导电碳、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯或石墨。在一些实施方式中，导电材料包括金属氧化物。在一些实施方式中，导电材料包括金属氮化物。在一些实施方式中，导电材料包括导电聚合物。在一些实施方式中，导电材料适于在空气中保持高电导率持续数月或甚至数年。
在一些实施方式中，有机纤维部分涂覆有导电材料。在一些实施方式中，有机纤维包括涂覆侧和未涂覆侧。
在一些实施方式中，有机纤维完全涂覆有导电材料，其中导电涂层的外表面进一步被官能化。在一些实施方式中，利用极性基团官能化导电涂层的外表面，以增加对PM颗粒的亲和性。
在一些实施方式中，电空气过滤器进一步包括适于接收第二电压的第二层，其中第二层与第一层相同或不同。在一些实施方式中，在电空气过滤器中第一层和第二层彼此平行布置。在一些实施方式中，在第一层上施加正电压和在第二层上施加负电压或中性电压(neutral voltage)。在一些实施方式中，在第一层上施加负电压和在第二层上施加正电压或中性电压。在一些实施方式中，空气流穿过第一层，然后接触第二层。在一些实施方式中，空气流穿过第二层，然后接触第一层。
在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少80％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少90％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少95％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少98％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少99％的PM2.5移除效率。
在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少80％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少90％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少95％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少98％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，电空气过滤器具有至少99％的PM10-2.5移除效率。
本文描述的本发明的一些实施方式的另一方面涉及空气过滤装置，其包括本文描述的电空气过滤器。在一些实施方式中，空气过滤装置是通风系统。在一些实施方式中，空气过滤装置是空调系统。在一些实施方式中，空气过滤装置是汽车舱空气过滤器。在一些实施方式中，空气过滤装置是窗纱。
本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及制造电空气过滤器的方法。在一些实施方式中，方法包括将金属或金属氧化物溅射涂覆至微纤维或纳米纤维上。在一些实施方式中，微纤维或纳米纤维通过直接溅射涂覆被部分涂覆有金属或金属氧化物。在一些实施方式中，微纤维或纳米纤维完全涂覆有金属或金属氧化物。
在一些实施方式中，方法包括处理金属或金属氧化物涂层的外表面，以产生反应基，和使所述反应基与有机化合物反应以官能化金属或金属氧化物涂层的外表面，从而增加对PM颗粒的亲和性。在一些实施方式中，利用空气等离子体处理金属或金属氧化物涂层的外表面，以产生-OH基团。在一些实施方式中，-OH基团与硅烷衍生物(如，3-氰基丙基三氯硅烷)反应以官能化金属或金属氧化物涂层的外表面。其他适合的官能团包括具有高极性和高偶极矩的那些(如，–CN、-OH、-CO-、-NO2、-NH-、-NH2)。偶极矩越高，对PM颗粒的粘合性越好。
本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及使用电空气过滤器过滤PM颗粒的方法，包括在电空气过滤器的第一层上施加电压。在第一层中的有机纤维包括涂覆侧和未涂覆侧的一些实施方式中，方法可以包括以允许未涂覆侧面对空气流的方向的方式放置电空气过滤器。
在一些实施方式中，在第一层上施加正电压。在一些实施方式中，在第一层上施加负电压。在一些实施方式中，在第一层上施加正电压和在第二层上施加负电压或中性电压。在一些实施方式中，在第一层上施加负电压和在第二层上施加正电压或中性电压。
用于从污染源有效移除PM2.5的具有高温稳定性的纳米纤维状空气过滤器
本文描述的本发明的一些实施方式的另一方面涉及用于高温过滤的空气过滤器，其包括基底和沉积在基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中空气过滤器在至少70℃的操作温度下具有至少70％的PM2.5移除效率。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有具有至少1D、至少2D、或至少3D、或至少4D、或至少5D、或至少6D、和上至10D、上至12D、或更大的偶极矩的重复单元的聚合物。适合的重复单元的实例包括包含极性基团的重复单元，极性基团诸如取代的烷基基团(如，取代有1、2、3或更多卤代基团或以下列举的其他极性基团)、取代的链烯基基团(如，取代有1、2、3或更多卤代基团或以下列举的其他极性基团)、取代的炔基基团(如，取代有1、2、3或更多卤代基团或以下列举的其他极性基团)、取代的芳基基团(如，取代有1、2、3或更多卤代基团或以下列举的其他极性基团)、羟基基团、酮基团、砜基团、醛基团、醚基团、硫代基团、氰基基团(或腈基团)、硝基基团、氨基基团、N-取代的氨基基团、铵基团、N-取代的铵基团、酰胺基团、N-取代的酰胺基团、羧基基团、烷基羰氧基基团、链烯基羰氧基基团、炔基羰氧基基团、芳基羰氧基基团、烷基羰基氨基基团、N-取代的烷基羰基氨基基团、链烯基羰基氨基基团、N-取代的链烯基羰基氨基基团、炔基羰基氨基基团、N-取代的炔基羰基氨基基团、芳基羰基氨基基团、N-取代的芳基羰基氨基基团、脲基团、环氧基团、
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唑烷酮基团、和其带电或杂形式。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有具有酮基团和/或砜基团的重复单元的聚合物。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有包括二酰亚胺基团的重复单元的聚合物。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括聚酰亚胺(PI)。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有包括腈基团的重复单元的聚合物。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括聚丙烯腈(PAN)。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括聚(对苯硫醚)。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括聚对苯二甲酰对苯二胺。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括聚四氟乙烯。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维包括含有包括极性官能团(如，–CN、-OH、-CO-、-NO2、-NH-、-NH2等)的重复单元的聚合物。聚合物的重复单元的偶极矩越高，聚合物对PM颗粒的粘合性越好。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有小于1微米的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有10-900nm的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有20-800nm的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有30-700nm的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有50-500nm的平均直径。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维具有100-300nm的平均直径。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维被电纺至基底上。
在一些实施方式中，聚合物纳米纤维携带电荷。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维携带正电荷。在一些实施方式中，聚合物纳米纤维携带负电荷。
在一些实施方式中，空气过滤器具有至少30％、或至少40％、或至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％、或至少90％的光透射比。可以通过加权400至800nm的AM1.5太阳光谱表达透射比值以获得平均透射比值。透射比值还可以根据人视觉或光度加权的透射比、在给定波长或在可见范围内波长的范围诸如550nm或其他波长或波长的范围下的透射比来表达。
在一些实施方式中，空气过滤器用于不具有光透明性需求的应用。空气过滤器具有小于60％、或30％、或10％、或5％的光透射比。
在一些实施方式中，在70℃的操作温度下，空气过滤器具有至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，在150℃的操作温度下，空气过滤器具有至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，在200℃的操作温度下，空气过滤器具有至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，在250℃的操作温度下，空气过滤器具有至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，在300℃的操作温度下，空气过滤器具有至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，在350℃的操作温度下，空气过滤器具有至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM2.5移除效率。
在一些实施方式中，在70℃的操作温度下，空气过滤器具有至少70％、或至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，在150℃的操作温度下，空气过滤器具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，在200℃的操作温度下，空气过滤器具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，在250℃的操作温度下，空气过滤器具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，在300℃的操作温度下，空气过滤器具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM10-2.5移除效率。在一些实施方式中，在350℃的操作温度下，空气过滤器具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM10-2.5移除效率。
在一些实施方式中，在0.2m/s的气体速度下，空气过滤器具有500Pa或更少、300Pa或更少、或200Pa或更少、或100Pa或更少、或50Pa或更少的压降。在一些实施方式中，在0.4m/s的气体速度下，空气过滤器具有500Pa或更少、或300Pa或更少、或200Pa或更少、或100Pa或更少、或50Pa或更少的压降。在一些实施方式中，在0.6m/s的气体速度下，空气过滤器具有700Pa或更少、或500Pa或更少、或300Pa或更少、或200Pa或更少、或100Pa或更少的压降。在一些实施方式中，在0.8m/s的气体速度下，空气过滤器具有700Pa或更少、或500Pa或更少、或300Pa或更少、或200Pa或更少、或100Pa或更少的压降。在一些实施方式中，在1.0m/s的气体速度下，空气过滤器具有1000Pa或更少、或700Pa或更少、或500Pa或更少、或300Pa或更少、或200Pa或更少、或100Pa或更少的压降。
在一些实施方式中，空气过滤器在高温下长期暴露至PM2.5后保持其过滤效率。在一些实施方式中，空气过滤器在200℃的操作温度下暴露至具有300的平均PM2.5指数和0.2m/s的平均风速的空气50小时后具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器在200℃的操作温度下暴露至具有300的平均PM2.5指数和0.2m/s的平均风速的空气100小时后具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM2.5移除效率。在一些实施方式中，空气过滤器在200℃的操作温度下暴露至具有300的平均PM2.5指数和0.2m/s的平均风速的空气200小时后具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的PM2.5移除效率。
在一些实施方式中，对于从具有50～80℃的温度和2～3m/s的气体速度的汽车废气移除PM2.5颗粒，空气过滤器具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的移除效率。在一些实施方式中，对于从具有50～80℃的温度和2～3m/s的气体速度的汽车废气移除PM10-2.5颗粒，空气过滤器具有至少80％、或至少90％、或至少95％、或至少98％、或至少99％的移除效率。
本文描述的本发明的一些实施方式的另一方面涉及用于从污染源移除高温PM2.5颗粒的空气过滤装置，其包括本文描述的空气过滤器。在一些实施方式中，空气过滤器是可移除的、可拆卸的和/或可替换的。
在一些实施方式中，用于从污染源移除高温PM2.5颗粒的空气过滤装置是废气空气过滤器。在一些实施方式中，空气过滤装置是车辆废气过滤器。在一些实施方式中，空气过滤装置是工业废气过滤器。在一些实施方式中，空气过滤装置是电厂废气过滤器。
本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及制造配置用于高温过滤的空气过滤器的方法，包括从聚合物溶液电纺聚合物纳米纤维至基底上。在一些实施方式中，聚合物溶液包括1-30wt.％的聚合物。在一些实施方式中，聚合物溶液包括2-20wt.％的聚合物。在一些实施方式中，聚合物溶液包括3-15wt.％的聚合物。在一些实施方式中，聚合物溶液包括5-10wt.％的聚合物。
本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及制造高温空气过滤装置的方法，包括将本文描述的空气过滤器并入车辆废气过滤器。本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及制造高温空气过滤装置的方法，包括将本文描述的空气过滤器并入工业废气过滤器。本文描述的本发明的一些实施方式的进一步方面涉及制造高温空气过滤装置的方法，包括将本文描述的空气过滤器并入电厂废气过滤器。
当结合附随的附图时，根据下面的详细描述，这些和其他特征连同其操作的组织和方式将变得清楚。
附图说明
图1A-1E显示了PM污染的照片和与透明空气过滤器相比现有空气过滤器的示意图。(图1A)在阳光充足的日子期间在北京随机位置的照片。(图1B)在具有危险的PM2.5水平的雾霾天期间在北京相同随机位置的照片。(图1C)通过尺寸排除捕获PM颗粒的多孔空气过滤器的示意图。(图1D)通过厚物理屏障和粘合捕获PM颗粒的笨重纤维状空气过滤器的示意图。(图1E)通过强表面粘合和允许高的光和空气渗透捕获PM颗粒的透明空气过滤器的示意图。
图2A-2F显示了通过具有不同表面的透明空气过滤器的PM2.5捕获的性能。(图2A)示意图显示了通过电纺制造透明空气过滤器。(图2B)不同聚合物的分子模型和分子式，包括PAN、PVP、PS、PVA和PP，每个聚合物的重复单元具有计算的偶极矩。(图2C)过滤之前，PAN、PVP、PS、PVA和PP透明过滤器的SEM图像。(图2D)在过滤之后，PAN、PVP、PS、PVA和PP透明过滤器的SEM图像显示了PM附着。(c-d)比例尺按5μm计。(图2E)具有～200nm的相同纤维直径和～70％的相同透射比的PAN、PVP、PS、PVA、PP、碳和铜透明过滤器之间的移除效率比较。(图2F)使用透明过滤器以隔绝来自室外(右瓶)的PM进入室内(左瓶)环境的说明。
图3A-3F显示了透明空气过滤器的透明性和气流评估。(图3A)不同透明性下PAN透明空气过滤器的照片。(图3B)在不同透射比下PAN、PVP、PS和PVA透明过滤器的PM2.5移除效率。(图3C)在不同透射比下PAN、PVP、PS和PVA透明过滤器的PM10-2.5移除效率。(图3D)照片显示了通过电扇展现透明过滤器可以导致有效空气交换。(图3E)示意图显示了测量空气过滤器的压降的装置。(图3F)表格总结了与商业空气过滤器相比，透明空气过滤器的透射比、效率、压降和品质因子。
图4A-4J显示通过PAN透明过滤器的PM捕获的原位时间演变研究。(图4A-4D)在连续供给期间，通过OM表征的PAN纳米纤维的PM捕获的原位研究显示了在不同时间顺序下过滤器形貌。比例尺：20μm。(图4A-4H)示意图显示了通过纳米纤维状过滤器的PM捕获在不同时间顺序下的机理。(图4I)SEM图像显示形成了缠绕PAN纳米纤维的涂覆层的附着的软PM的详细形貌。比例尺：1μm。(图4J)SEM图像显示了纳米纤维节具有聚集形成更大颗粒的更多PM。比例尺：1μm。
图5A-5J显示了通过XPS、FTIR、TEM和EELS的烟雾PM组成分析。(图5A)PM颗粒的XPS表征显示了C 1s、O 1s和N 1s峰分析和组成比。(图5B)PM颗粒的FTIR表征显示了存在的官能团。(图5C)TEM图像显示了在PAN过滤器上捕获的PM颗粒的形貌。(图5D)用于EELS分析的在PAN纳米纤维上捕获的PM颗粒的TEM图像。(图5E-5F)位置e和f的EELS数据对应于PM颗粒和PAN纤维。(图5G-5I)在不同位置上提取的EELS数据：(图5G)PM颗粒的表面；(图5H)PM颗粒的整体和(图5I)PAN纤维。(图5J)示意图显示了具有内部非极性官能团(C-C、C-H和C＝C)和外部极性官能团(C＝O、C-O和C-N)的PM颗粒组成。
图6A-6E显示了PAN透明过滤器长期性能和野外测试(北京)性能。(图6A)在连续的PM污染危险水平下70％透射比的PAN透明过滤器的长期PM2.5和PM10-2.5移除效率。(图6B-6C)SEM显示了100小时PM捕获测试后的PAN透明空气过滤器形貌。比例尺分别为：50μm和10μm。(图6D-6E)与商业-1面罩和商业-2面罩相比，具有不同透射比的PAN和PS透明过滤器的PM2.5和PM10-2.5移除效率。测试在2014年7月3日在北京，在PM2.5指数>300的空气质量条件下进行。
图7A-7B显示了由不同聚合物制作的纳米纤维状过滤器之间在捕获坚硬灰尘PM和软烟雾PM中的性能比较。(图7A)PAN、PVP、PS和PVA对灰尘PM颗粒和烟雾PM颗粒的PM2.5和PM10-2.5移除效率。(图7B)SEM图像显示了在捕获灰尘PM颗粒之后PAN纳米纤维状过滤器。
图8A-8D显示了PAN纳米纤维状过滤器性能的直径依赖性。(图8A-8C)具有200nm、700nm和1.5μm直径的PAN纳米纤维状过滤器的SEM图像。比例尺为5μm。(图8D)具有200nm、700nm和1.5μm直径的PAN纳米纤维状过滤器的PM2.5和PM10-2.5移除效率。
图9A-9D显示了在PM捕获后PAN纳米纤维的能量分散X射线光谱(EDX)。(图9A)具有捕获的PM颗粒的PAN纳米纤维的SEM图像。(图9B-9D)元素C、N和O的EDX图。
图10A-10D显示了商业过滤器的SEM图像。(图10A)商业-1、(图10B)商业-2、(图10C)商业-3和(图10D)商业-4。比例尺为50μm。
图11显示了由PAN、PVP、PS和PVA制作的纳米纤维状过滤器的PM2.5和PM10-2.5移除效率的风速依赖性。
图12显示了由PAN、PVP、PS和PVA制作的纳米纤维状过滤器的PM2.5和PM10-2.5移除效率湿度依赖性。
图13显示了透明PAN空气过滤器相比于商业空气过滤器的透射比、效率、压降和品质因子的总结。
图14A显示了实例导电空气过滤器的示意图。在过滤期间，负电压(0至-10kV)添加至前电极和正电压(0至+10kV)添加至后电极。图14B显示了导电空气过滤器的第一和第二材料合成选项的示意图。
图15A显示了实例Cu溅射的微纤维的SEM图像。图15B显示了导电空气过滤器的第一材料合成选项的示意图。
图16显示了实例Cu涂覆和官能化的尼龙纳米纤维的SEM图像。
图17显示了实例电空气过滤器的性能。
图18A-18D显示了不同工业灰尘收集器的PM和PM移除性能的来源和温度分布。(图18A)包含大量的高温PM颗粒的烟囱废气的照片(Yulin，中国)。(图18B)北京PM2.5的来源。(图18C)各种高温PM来源的温度和PM浓度分布。(图18D)不同工业灰尘收集器的PM移除性能的比较。A，折流沉降室(baffled settling chamber)；B，“现成的”旋风分离器；C，仔细设计的旋风分离器；D，静电除尘器；E，喷雾塔；F，文丘里涤气器；G，袋过滤器。
图19A-19O显示了室温下PI纳米纤维状空气过滤器的结构和过滤性能。(图19A)PI的通用分子结构。(图19B)通过电纺制造透明PI空气过滤器的示意图。(图19C)具有70％的光透射比的典型透明PI空气过滤器的照片。(图19D)透明PI空气过滤器的OM图像。(图19E-19G)具有不同放大倍数的PI空气过滤器的SEM图像。(图19H)在过滤PM颗粒后的PI空气过滤器的SEM图像。(图19I)在过滤PM颗粒后的PI空气过滤器的OM图像。(图19J)具有50％的光透射比的PI空气过滤器对不同尺寸的PM颗粒的移除效率。(图19K)使用PI空气过滤器阻挡来自来源(左瓶)的PM进入环境(右瓶)的说明。(图19L-19O)在连续供给PM气体期间在不同时间顺序下在OM下通过PI空气过滤器的PM捕获的原位演变研究。对于(图19L-19O)，时标分别为0、5、60、150s。
图20A-20G显示了PI空气过滤器的热稳定性和高温PM移除效率测量的装置。(图20A-20F)在不同温度下PI空气过滤器的结构和形貌比较。(图20G)用于高温PM移除效率测量的装置的示意性说明。
图21A-21D显示了不同空气过滤器的PM移除效率比较。(图21A)具有不同透明性的PI空气过滤器的PM2.5移除效率比较。此处，PI-45意思是具有45％的光透射比的PI空气过滤器，其他具有类似含义。(图21B)具有不同光透射比的PI空气过滤器的PM10-2.5移除效率比较。(图21C)由不同材料制作的不同空气过滤器的PM2.5移除效率比较。此处，“Com-”意思是商业空气过滤器。(图21D)由不同材料制作的不同空气过滤器的PM10-2.5移除效率比较。
图22A-22C显示了具有不同透射比的透明PI空气过滤器的透明性和压降比较。(图22A)具有不同透射比的PI透明空气过滤器的照片。(图22B)对于PI过滤器在不同气体速度下压降和透射比的关系。(图22C)不同空气过滤器的压降的比较。
图23A-23C显示了PI空气过滤器的长期和野外测试性能。(图23A)在连续的PM污染的危险水平下通过具有50％的透射比的PI空气过滤器的长期PM2.5和PM10-2.5移除效率。(图23B)没有空气过滤器下汽车废气的PM数目浓度测量。(图23C)有空气过滤器的汽车废气的PM数目浓度测量。通过c中红圈显示，插图显示了涂覆有具有50％的透射比的PI过滤器的不锈钢管。
图24显示了随时间熏香燃烧所产生的PM颗粒的尺寸分布。
图25显示了在不同温度下不同空气过滤器的结构和形貌比较。
图26显示了在不同温度下不同空气过滤器的结构和形貌比较。
图27显示了压降测量的示意图。
具体实施方式
介绍.此处描述的是对于PM污染的移除高度有效的具有低气流阻力的空气过滤器。商业空气过滤器是笨重的并具有低气流，其与对具有光透明性和高气流的透明空气过滤器的需求不相容。此处证明，通过控制纳米纤维的表面化学以允许PM和空气过滤器之间的强粘合，通过注入电荷进入纳米纤维和还通过控制空气过滤器的微结构以增加捕获可能性，可以实现透明的、高气流和高度有效的空气过滤器，其在极端危险的空气质量条件(PM2.5指数>300或PM2.5质量浓度>250μg/m3)下，具有～90％的透明性伴随>95％的PM2.5移除、～60％的透明性伴随>99％的PM2.5移除、和～30％的透明性伴随>99.97％的PM2.5的移除。这类纳米纤维过滤器不限于任何特定使用领域。其光透明性用于显示纳米纤维过滤器的非常薄的层可以具有高效率的PM移除。在北京的野外测试显示了示例性聚丙烯腈(PAN)透明空气过滤器具有优异的性能，证明了在高透射比(分别地～77％、～54％和～40％)下的高PM2.5移除效率(98.69％、99.42％和99.88％)。本文描述的透明空气过滤器可以用于通过室内空气过滤、室外个人保护和工业废气过滤解决严重的空气污染问题。
空气过滤器表面筛选.为了寻找用于空气过滤器的有效材料，研究了不同聚合物和具有其他涂层的聚合物的PM捕获。使用电纺制作聚合物纳米纤维状空气过滤器(参见图2A)。电纺在从不同聚合物溶液制作具有可控尺寸的均匀纤维状过滤器方面具有很大优势。该多样性使电纺是产生透明纳米纤维网络的理想工具。在电纺期间，向包含聚合物溶液的注射器的尖端施加高电压；得到的电场力将聚合物溶液拉为纳米纤维并沉积纤维至接地的收集器上，在该实验中其是商业的金属涂覆窗纱网。由于电场分布，电纺的聚合物纳米纤维跨过网孔并形成用于空气过滤的网络。该电纺方法是可扩展规模的并且利用窗纱作为支撑和粘附基底，空气过滤器在力学上是稳健的。通过改变聚合物侧链上的官能团和还通过使用溅射方法涂覆不同的材料制作具有不同表面性质的纳米纤维。选择的聚合物以大量和低成本可用，包括聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯(PP)。涂层材料是铜和碳。PP、铜和碳都是商业纤维状或多孔薄膜空气过滤器中常用的材料。在图2B中显示了不同聚合物的分子模型和分子式。每个聚合物之间的极性和疏水性是不同的，并且PAN、PVP、PS、PVA和PP的重复单元的偶极矩分别是3.6D、2.3D、0.7D、1.2D和0.6D。
为了测试本文描述的透明空气过滤器，PM通过燃烧熏香产生。燃烧熏香包含燃烧的45mg/g以上的PM，废气烟雾包含多种污染物气体，包括CO、CO2、NO2、SO2以及还有易挥发有机化合物，诸如苯、甲苯、二甲苯、醛和多环芳香烃(PAH)。该复杂的空气废气是包含在雾霾日子期间污染的空气中存在的许多成分的模型系统。首先使用扫描电子显微镜(SEM)在过滤前后表征不同的纤维状过滤器。在图2C、2D中显示了图像。不同聚合物的所制作的纳米纤维过滤器具有～200nm的纤维尺寸的类似形貌和类似的堆积密度。由于PP纤维不能够通过电纺制作，它们从商业面罩剥下至70％的透射比。PP因此具有不同的形貌，其与电纺的纳米纤维相比纤维具有大得多的直径。经过过滤测试后的不同过滤器的SEM图像显示了涂覆在PAN过滤器上的PM颗粒的数目和尺寸均比其他聚合物的PM颗粒的数目和尺寸大。如在无机PM的情况中，烟雾PM形成围绕每个纤维牢固缠绕的涂覆层，而不是仅仅附着至纳米纤维的表面(参见图7A-7B)。对于商业PP空气过滤器，很难看见PM颗粒捕获。
在图2E中显示了不同纤维状过滤器的量化的PM2.5和PM10-2.5移除。全部纤维状过滤器在相同透射比(～70％)下。通过效率比较，显示了PAN具有PM2.5和PM10-2.5两者的最高移除效率，随后是PVP、PVA、PS、PP、铜和碳。图2E中突出的区域(95％-100％)标记了高效率过滤器的标准和那些测试的标准，只有透明PAN过滤器满足该需求。通过比较利用或不利用空气过滤器的PM颗粒数目浓度计算移除效率。结果显示聚合物捕获效率随着聚合物重复单元的偶极矩增加而增加，暗示了偶极-偶极或诱导的偶极力可以高度增强PM对聚合物表面的结合，并且具有较高偶极矩的聚合物将具有更好的PM颗粒的移除效率。无机PM2.5和PM10-2.5也显示了PAN空气过滤器在捕获PM颗粒中是非常有效的。具有较大量的碳和水含量的软PM趋向于比坚硬的无机PM更难捕获，这是由于由相同材料制作的纤维状过滤器的捕获效率在软PM捕获中较低(图7A-7B)。除了表面化学，过滤器的纤维尺寸也显著影响PM移除效率，如图8A-8D中所示。随着纤维直径从～200nm增加至～1μm，具有70％的相同透射比的PAN空气过滤器的移除效率从97％下降至48％。在图2F中显示了使用透明过滤器阻挡PM污染的说明。在右瓶中，产生具有PM2.5指数>300或PM2.5质量浓度>250μg/m3的PM的危险水平，和在PM来源和另一瓶之间放置具有～70％透射比的PAN透明过滤器。如图2F中所示，左瓶依然清澈并且PM2.5浓度处于通过PM2.5指数(质量浓度<15μg/m3)标志(arked)的良好水平。该说明显示了PAN透明过滤器的效率。
透明空气过滤器的PM移除效率、光透明性和气流的评估.除了捕获效率，然后评估透明空气过滤器的其他两个参数：光透射比和气流。图3A显示了具有～85％、～75％、～55％、～30％和～10％的透射比的PAN透明空气过滤器的照片。对于具有50％以上透射比的空气过滤器，足够的光可以渗透通过并允许来自太阳的光照和观景。在不同透射比水平下评价不同聚合物纳米纤维状过滤器的PM捕获效率，并在图3B-3C中显示了结果。通过增加纤维状过滤器的厚度，增加了PAN、PVP和PVA过滤器的PM2.5捕获效率(参见图2B-2C)。对于PAN过滤器，对于多种光透射比水平实现了优异的捕获效率：对于PM2.5捕获在～90％透明性下>95％移除和在～60％透射比下>99％移除。分别在～60％和～30％的较低透射比下通过PVP和PVA过滤器实现了>95％效率的PM2.5捕获。然而对于在许多商业过滤器中使用的PS纤维，增加过滤器厚度没有太多改进PM2.5捕获效率。在全部四种聚合物空气过滤器中PM10-2.5颗粒的移除效率(参见图3C)全部高于PM2.5的移除效率，并且大部分情况，移除效率满足>95％效率标准。PAN显示了比具有类似透射比的其他聚合物过滤器更好的捕获能力。
除了捕获效率，保持高气流是评价空气过滤器的性能的另一参数。全部气流测试基于PAN空气过滤器。在图3D中，通过由风扇产生的风说明空气渗透通过PAN透明空气过滤器。将具有～90％透射比的PAN透明空气过滤器放置在悬挂在杆上的一束纸穗前面。当风从风扇吹出，纸穗被其前面的PAN空气过滤器吹起，这说明了空气很好的渗透通过透明过滤器。通过研究具有不同的透射比水平的透明PAN过滤器的压降(ΔP)进行空气渗透的量化分析。图3E显示了压降测量的示意图。测量跨越空气过滤器的压差。在图3F中显示了，在0.21m/s的面速度下，85％和75％透射比的空气过滤器的压降仅分别为133和206Pa。该压降仅仅<大气压的0.2％，其是可忽略的。这些水平的压降类似于没有纳米纤维的空窗纱的压降(131Pa)。ΔP随着过滤器厚度的增加或透射比的降低而增加。通过品质因子(QF)评价考虑效率和压降两者的空气过滤器的整体性能(参见图3F和图13)。透明PAN过滤器显示了比四种商业过滤器(图8A-8D中所示SEM)高2倍至甚至数量级的QF。
通过PAN透明过滤器的PM捕获的原位时间演变研究.使用具有～200nm的纤维直径的PAN纳米纤维状过滤器通过原位光学显微镜(OM)和SEM研究PM捕获过程和机理。将PAN纳米纤维状过滤器放置在OM下面。将具有高浓度烟雾PM的连续流供给至纤维状过滤器。图4A显示了在捕获PM之前的PAN纤维过滤器。在图4B-4D中，显示了PM捕获的时间顺序。在图4E-4H中显示了解释在不同阶段PM捕获的示意图。在初始捕获阶段(图4B和4F)，PM被PAN纳米纤维捕获并紧紧地结合至纳米纤维上。当更多烟雾连续进给至过滤器，更多PM颗粒被附着。颗粒能够沿着PAN纳米纤维移动并聚集形成较大颗粒并留下一些空的空间用于新PM颗粒附着。另外，进来的新PM颗粒可以直接附着至已经在PAN纳米纤维上的PM并融合在一起(参见图4F)。随着捕获继续进行，PAN过滤器被大的聚集PM颗粒填充。纳米纤维节具有更多以较大尺寸积累和形成球状颗粒的PM。
SEM用于表征PM颗粒和PAN纳米纤维之间详细的相互作用，并在图4I-4J中显示了图像。软PM颗粒的一般捕获机理是在与PAN纳米纤维接触后，PM颗粒将紧密围绕纳米纤维缠绕(参见图4I)，变形并在纳米纤维上最终达到稳定球状形状。该缠绕围绕的涂层指示PM颗粒偏好PAN纳米纤维的表面，以致它们愿意扩大它们的接触面积并紧密结合，从而确保优异的捕获性能。
PM化学组成分析.为了进一步解释在捕获烟雾PM中不同纤维状过滤器的性能差异，研究烟雾PM的组成和表面化学。图5A显示了PM的X射线光电子能谱法(XPS)表征。XPS仅检测烟雾PM的表面元素组成(深度在～5nm内)。显示C 1s信号包括284.7eV、285.9eV和286.6eV处的三个主要峰，对应于C-C、C-O和C＝O键。O 1s峰支持C 1s峰的结果并显示了在533.1eV和531.9eV处C-O和C＝O的存在。除了这些元素，在烟雾颗粒的表面还存在小部分的N，其在N 1s的400.8eV的峰处显示。整个结果显示了C、O和N为在烟雾PM表面上存在的三种元素，并且它们的比例为58.5％、36.1％和5.4％。官能团是C-C、C-O、C＝O和C-N，其具有4.8：5.1：1.3：1的比例。通过傅里叶变换红外光谱法(FTIR)表征烟雾PM的总体组成，并在图5B中显示光谱。主峰在～3311cm-1、2291cm-1、1757cm-1、1643cm-1、1386cm-1、1238cm-1、1118cm-1和1076cm-1，其指示O-H、C-H、C＝O、C＝C、C-N和C-O(后三个峰)官能团的存在。再者，能量分散X射线光谱法(EDX)表征显示了PM颗粒中C、N和O的相同组成(参见图9A-9D)。XPS、FTIR和EDX分析显示了烟雾组成的一致结果，其主要包含具有不同极性的官能团的有机碳，诸如烷、醛等等。高极性的官能团，诸如C-O、C＝O和C-N，主要分布在颗粒的外表面。为了进一步说明跨越PM颗粒的官能团分布，透射电子显微镜(TEM)和电子能量损失能谱(EELS)被用于表征捕获在PAN纤维上的烟雾PM。图5C显示了附着至PAN纤维的PM的形貌。PM颗粒具有胶粘的无定形碳状形貌，其中核心包含一些凝聚的固体而外表面包含轻有机物质。EELS被用于测量跨越附着至PAN纤维的PM(图5D和5E)和裸PAN纤维(图5D和5F)的能量损失。结果显示了在PM颗粒处，化学含量随位置变化。通过扫描从PM的一端至另一端的光束，在PM的外表面处，C K边缘(284eV)、N K边缘(401eV)和O K边缘(532eV)的峰首先显示(参见图5G)。当光束移动至PM的中心，N K边缘和O K边缘的信号减小并只有C信号存在(图5H中所示)。最后，当位置再次移动至外表面，N K边缘(401eV)和O K边缘(532eV)的峰再次显现。作为对照，PAN纤维的EELS信号显示了全部跨越整个纤维的相同信号，其具有C K边缘(284eV)和N K边缘(401eV)，其匹配PAN聚合物的化学组成(参见图5I)。这再次指示了包含O和N的极性官能团(C-O、C＝O和C-N)主要存在于PM的外表面，伴随一些非极性官能团，诸如烷(参见图4J)。这与具有较高偶极矩的聚合物空气过滤器具有较高捕获效率的结果一致。因为，极性官能团诸如C-O、C＝O和C-N存在于PM颗粒的外表面，具有较高偶极矩的聚合物可以具有更强的偶极-偶极和诱导的偶极分子间力，以致PM捕获效率更高。
PAN透明空气过滤器长期性能.在等效于PM2.5指数>300的危险水平的条件和轻微风条件(<1英里每小时)下使用具有～75％的透射比的PAN过滤器评估透明过滤器的长期性能。图6A中显示了性能。经过100小时，PAN过滤器仍然保持分别95-100％和100％的高PM2.5和PM10-2.5移除效率，并且压降仅从～2Pa稍稍增加至～5Pa。图6B、6C中SEM图像显示了经过100小时测试后PAN纳米纤维状过滤器的形貌。捕获的PM颗粒聚集并形成20-50μm的非常大的颗粒的区域。在使用清洁空气吹过使用的PAN过滤器后，通过测量质量损失，没有注意到PM的脱离(在0.006％的误差条内)。单独的PM吸附测试已经显示了PAN透明过滤器实现了质量为过滤器自身重量的10倍的PM污染物的捕获。这10X能力表明在危险PM水平(PM指数>300)下，具有～75％的透射比的透明过滤器的寿命预期在300小时以上。
透明空气过滤器在野外测试中的性能(中国北京).为了研究在真实污染空气环境中过滤器的效率，在2014年7月3日在中国北京进行了野外测试。PM2.5处于等效于PM2.5指数>300的危险水平。图6D、6E中显示了结果。具有～77％、～54％、～40％透射比的PAN过滤器分别实现了98.69％、99.42％、99.88％和99.73％、99.76％、99.92％的PM2.5和PM10-2.5移除效率。为了比较，PS过滤器——其显示了烟雾PM的较低移除——一致地显示了在野外测试中在71％、61％、41％的透射比下分别76.61％、73.50％、96.76％和95.91％、95.17％、99.44％的PM2.5和PM10-2.5较低移除。再者，测试了具有PP纤维的商业面罩商业-1和商业-2(图10A-10D中所示图像)用于比较。商业-1显示了70.40％和94.66％的低得多的PM2.5和PM10-2.5移除。商业-2显示了PM2.5(99.13％)和PM10-2.5(99.78％)的可比的移除效率，但是它基本上不透明(透射比：6％)。因此，PAN显示了作为透明过滤器的优异性能。
在不同湿度和风力条件下PAN透明空气过滤器的性能.基于真实天气状况，还考虑了风力和湿度，并在图11和图12中显示了结果。以不同的风力——代表静止(0.21m/s)、微风(3.12m/s)、柔风(5.25m/s)和清风(10.5m/s)条件——测试了具有～73％的透射比的PAN纤维状过滤器。在所有情况下移除效率>96％并显示了移除效率随风速增加的趋势，其可能由于PM颗粒排斥的增加。这与其他研究一致。对于在极端湿条件下的PM捕获，结果显示了湿度有助于具有～70％的透射比的PAN和PS实现更好的PM捕获，尤其对于PS，其从37％增加至95％。这是因为在PM附着期间环境水含量增加了PM颗粒和PS纳米纤维之间的毛细力。然而，对于PVP和PVA，因为它们在水中的溶解性，在极端湿条件下，过滤器被显著损坏，导致没有可检出的移除。在潮湿条件中，PAN透明过滤器显示了优异的性能。
总之，说明了电纺的PAN纳米纤维可以是高度有效的透明PM过滤器，这是因为其小的纤维直径和表面化学。当安装在窗口上时，这类纳米纤维状过滤器可以排除PM进入室内环境，保持自然通风和保留光透明性。在危险PM2.5水平下可以使用具有～75％的透射比的电纺的PAN透明空气过滤器长达100小时，同时效率保持在95-100％。该高颗粒移除效率也被在北京的野外测试证明，显示了透明过滤器的实际应用性。据信，本文描述的透明空气过滤器可以用作独立装置或与现有面罩或HEPA过滤器合并以实现更健康的室内生活环境。
用于从污染源有效移除PM2.5的具有高温稳定性的纳米纤维状空气过滤器.在许多国家，微粒物质(PM)污染近来已经成为严重的环境问题。从其来源直接移除PM，尤其是PM2.5，对减少PM污染具有重要意义。然而，在废气中，大部分PM来源拥有上至300℃的高温，其引起对利用现有技术的PM2.5移除的挑战。此处描述的是用于高温PM2.5移除的高效率空气过滤器。该空气过滤器通过电纺由聚酰亚胺(PI)纳米纤维制作。对于具有50％光透明性的PI过滤器(仅30～60μm厚)，实现了>99.50％的PM2.5移除效率。PI纳米纤维状空气过滤器展现了高热稳定性，并且对于范围从25℃至370℃的温度，PM2.5移除效率保持几乎不变。另外，PI过滤器具有高空气通量以及非常低的压降。长期测试显示了PI纳米纤维状空气过滤器在极端危险的空气质量条件(PM2.5指数>300)下能够连续工作超过120小时，同时具有高PM2.5移除效率。野外测试显示了聚酰亚胺空气过滤器能够有效移除>99.5％的来自高温下汽车废气的所有尺寸的PM颗粒。
高效率PI空气过滤器制造.选择PI作为示例性高温空气过滤器材料，这是由于其在高温下优异的热稳定性。PI是二酰亚胺单体的聚合物并且已知具有热稳定性、优良的化学耐性以及优异的机械性质。然而，还未知其在高温空气中移除PM的能力。据信，极性官能团适合于与PM结合和PI具有用于该目的的正确极性基团。根据分子结构，存在各种类型的PI。在图19A中显示了PI的通用分子结构。对于该类型的PI分子，其偶极矩是6.16D。
使用电纺PI-二甲基甲酰胺溶液制造PI纳米纤维状空气过滤器。电纺是从具有可控制尺寸的不同聚合物溶液制备均匀纳米纤维状过滤器的多用加工技术(图19B)。对于均匀PI纳米纤维的合成，寻找适合的溶液浓度、注射器尖端和接地纤维收集器之间的适合距离和电压是期望的。此处使用的收集器是铜网。通过改变溶液浓度和施加的电压，可以因此调控PI纳米纤维的直径。在注射器尖端和收集器之间给定的工作电压和距离下，PI纳米纤维状空气过滤器的光透明性和厚度主要取决于电纺时间。图19C显示了通过电纺制造的典型透明PI空气过滤器的照片。如通过图19D-19F中光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)图像所示，所制作PI纳米纤维均匀分布在网基底上。孔远大于纤维直径，允许气流具有小阻力。已发现，纤维尺寸影响PM捕获效率。具有小直径的纤维具有比具有大直径的纤维更高的可用比表面积。纤维直径越小，PM捕获效率越高。此处制造的PI纳米纤维的直径被选择为～200nm(图19G)。
在该研究中使用的PM颗粒通过燃烧熏香产生，其是用于空气过滤的良好模型系统，这是因为其包含广泛尺寸分布的颗粒和在雾霾日子期间在污染空气中存在的许多成分，诸如CO、CO2、NO2、SO2和还有易挥发有机化合物，诸如苯、甲苯、二甲苯、醛、多环芳香烃等。如图19H和19I中所示，在过滤之后，PI纳米纤维涂覆有许多PM颗粒。颗粒形成牢固附着至纳米纤维的表面的涂覆层。图19J显示了在室温下具有50％的光透射比的PI过滤器(厚度为大约30～60μm)的PM移除效率。此处，光透射比被用于指示过滤器的小厚度，其与高气流的能力相关联。其对于具有不同尺寸的颗粒具有非常高的PM移除效率。例如，尽管过滤器的小厚度，对具有0.3μm的尺寸的颗粒的PM移除效率高达99.98％，达到高效率微粒空气(HEPA)过滤器的标准，如对0.3μm气载颗粒具有过滤效率>99.97％的过滤器所定义。
图19K显示了使用PI空气过滤器阻挡高浓度PM污染的说明。左瓶包含危险水平的具有高于500μg/m3的PM2.5浓度的PM，具有65％的光透射比的PI过滤器被放置在两瓶之间。PI过滤器成功地阻挡PM移动至右瓶。甚至在长时间(大约1小时)之后，右瓶依然非常清澈并且PM2.5浓度依然处于低水平(<20μg/m3，小于左侧瓶的4％)。
通过原位OM成像还研究了PI纳米纤维的PM捕获过程和机理。如图19L-19O中所示，利用高浓度烟雾PM至PI过滤器的连续流动，PM颗粒被PI纳米纤维捕获并紧密附着在它们上。随着烟雾PM的连续供给，更多的PM颗粒被附着。同时，小颗粒逐渐融合为较大颗粒。如通过图19H所示，与单独PI纳米纤维相比，更多的PM颗粒围绕纳米纤维的节融合在一起并形成甚至更大的颗粒。
PI空气过滤器的高温PM移除性能.空气过滤器的热稳定性影响高温下它们的过滤性能。在测试PI纳米纤维状空气过滤器的高温性能之前，首先检查了它们的热稳定性。将PI纳米纤维放置在设定有不同温度的箱式炉中。每个样品在每个温度下保持一小时。如通过图20A-20E所示，当温度从25℃增加至370℃时，PI纳米纤维的直径和形貌保持不变，显示了它们的高热稳定性。仅当温度增加至380℃，PI纳米纤维的结构开始破坏。在PI过滤器中出现大孔(图20F)。PI纳米纤维具有明显变形和它们中大部分扭曲。PI纳米纤维的直径变得更小和它们中一些甚至断裂。如图18C中所示，大部分废气的温度低于300℃，所以当用于移除来自这些废气的PM颗粒时，PI纳米纤维将预期是稳定的。
为了测试所制作的PI空气过滤器在高温下的PM移除性能，设计专门的测试装置，如图20G所示。将PI过滤器放置在炉内并与过滤性能测试系统连接。PM颗粒计数器被用于测量颗粒数目浓度。在该研究中使用的PM通过燃烧熏香产生，其包含全部尺寸的颗粒，从<0.3μm至>10μm，并且在测试周期期间，每个尺寸的颗粒数目浓度保持相对稳定(参见图24)。通过比较利用和没利用PI过滤器的PM颗粒数目浓度计算移除效率。
在不同温度下利用不同光透明性系统性研究PI过滤器的PM移除效率。如图21A(对于PM2.5移除)和21B(对于PM10-2.5移除)中所示，对于具有宽泛光透射比的过滤器，在350℃以下的温度下，PI纳米纤维状过滤器显示了优异的热稳定性和它们的过滤性能保持几乎不变。对于具有大约60％的光透射比的PI过滤器，PM2.5移除效率高于95％，达到高效率过滤器的标准。对于具有大约45％的光透射比的PI过滤器，PM2.5移除效率高于99.98％，达到HEPA过滤器的标准，如具有对0.3μm气载颗粒过滤效率>99.97％的过滤器所定义。随着温度增加，它们是稳定的，并且它们的过滤性能保持不变。仅当温度高于350℃，PI过滤器的结构开始变化以及PM移除效率开始降低。当温度达到390℃，PI过滤器被严重损坏并且PM移除效率几乎变为零。
为了获得更好的比较，还测试了由其他聚合物制作的空气过滤器，诸如聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以及三类商业空气过滤器。PAN和PVP也具有约200nm的直径。如通过图21C和21D所示，明显的是，六种不同空气过滤器中，PI过滤器展现了在高温下最佳过滤性能。对于具有小于90％的光透射比的PI过滤器，在25～350℃的温度范围下，PM10-2.5和PM2.5移除效率保持几乎不变。与PI相比，PAN过滤器在室温下也具有高PM移除效率。然而，当温度增加至230℃，PAN过滤器的PM移除效率逐渐降低。理由是，当温度高于230℃时，在空气中PAN将被热氧化形成氧化的PAN纤维(图25)。在氧化之后，PAN的表面化学具有大变化，其将直接影响PAN过滤器的PM移除效率。对于PVP过滤器，当温度高于150℃时，它们的过滤性能降低。对于三种商业过滤器，它们的热稳定性甚至更差。例如，当温度高于150℃，Com-1#过滤器将完全熔化。当温度增加至170℃，Com-2#过滤器具有类似现象。甚至在室温下，Com-3#过滤器具有差的过滤性能。当温度增加至200℃时，Com-3#过滤器逐渐熔化。根据以上比较，PI纳米纤维状过滤器具有最佳PM移除性能和最佳热稳定性。
与商业过滤器相比PI过滤器的压降.除了PM移除效率，另一期望参数是具有低压降的空气通量。据报道，能量消耗与跨过过滤器的压降直接成比例，并且一般地占空气过滤器的总生命周期成本的70％。在中等商业建筑中，50％的能源账单用于HVAC(加热、通风和空调)系统和其30％直接涉及空气过滤。因此，在它们的应用期间，过滤器的低压降将节约大量能源和成本。
在移除效率和具有低压降的高空气通量两个期望的过滤参数之间一般存在冲突。良好的过滤器预期显示高过滤效率和低压降两者。光透射比是过滤器的厚度的直接观察值，与空气通量相关联。如图22A中所示，存在具有不同光透射比的四种PI纳米纤维状空气过滤器。此处，在多种气流速率下比较具有不同光透射比的PI纳米纤维过滤器的压降(图22B)。图27显示了压降测量的示意图。如图22B中所示，随着光透射比的降低，PI空气过滤器的压降增加。然而，甚至对于具有在40％的最低光透射比的最厚PI过滤器，在在0.2m/s的气体速度下，压降仅为～70Pa。甚至在1m/s的气体速度下，具有40％的光透射比的PI过滤器的压降仅为大约～300Pa。相比而言，三种不同的商业空气过滤器具有比PI空气过滤器大得多的压降(图22C)。虽然Com-1#和Com-2#商业空气过滤器具有高PM移除效率(图21C和21D)，它们的压降过大而不能允许高气流(图22C)。例如，在0.6m/s的流动速率下，具有类似高PM移除效率的PI-40(40％光透射比)具有～200的小压降，而Com-1#和Com-2#分别具有2000和～2200Pa的较高数量级的压降。通过品质因子(QF)评价考虑效率和压降的空气过滤器的整体性能，品质因子定义为QF＝-ln(1-E)/ΔP，其中E是PM移除效率和ΔP是过滤器的压降。QF越高，过滤器越好。表1中总结了不同空气过滤器的整体性能比较，其清楚地显示了PI过滤器具有考虑PM移除效率、压降、品质因子和最高稳定工作温度的最佳空气过滤性能。
表1.不同空气过滤器的性能总结
样品 T(％) E(％) ΔP(Pa) QF(Pa<sup>-1</sup>) t(℃)
PI-40 40 99.97 73 0.1072 370
PI-60 60 97.02 45 0.078 370
PAN-45 49 99.97 80 0.1014 230
PVP-67 67 94.43 71 0.0407 150
Com-1# 7.3 99.91 629 0.0112 140
Com-2# 6.5 99.87 723 0.0092 160
Com-3# 13 49.66 281 0.0024 170
注：T：光透射比；E：PM2.5移除效率；ΔP：压降；QF：品质因子；t：最高稳定工作温度。QF＝-ln(1-E)/ΔP
PI纳米纤维状空气过滤器的长期和野外测试性能.对于PI空气过滤器在真实环境中的实际应用，长期和野外测试性能是期望的。在等效于PM2.5指数>300的危险水平的条件和轻微风条件(风速为大约0.2m/s)下通过使用具有55％的光透射比的PI过滤器以及200℃的温度评估PI纳米纤维状空气过滤器的长期性能。在图23A中显示了PI过滤器的长期PM颗粒移除性能。经过在200℃下连续工作120小时，PI空气过滤器依然保持高PM移除效率。如图23A中所示，PM2.5和PM10-2.5移除效率分别保持高达97～99％和99～100％，同时压降仅增加小于10Pa。还测试了在实际环境中PI过滤器的颗粒移除效率。如图23B和23C中所示，具有50％的光透射比的PI过滤器被用于从汽车废气移除PM颗粒。汽车废气的温度一般范围在50～80℃。PM颗粒计数器被用于测量过滤前后废气中PM浓度。在通过具有2～3m/s的气体速度的废气强吹下，PI过滤器保持稳定。在表2中显示了过滤前后废气中的PM浓度，通过其可见，PI过滤器可以有效地移除具有从<0.3μm至>10μm的尺寸的所有种类的颗粒，同时具有非常高的效率。尤其是，在过滤后，废气的PM浓度降低至几乎与环境空气的PM浓度相同，清楚地显示了在室温和高温两者下，PI纳米纤维状过滤器的高过滤效率。
表2.PI过滤器从汽车废气移除PM颗粒的性能
d<sub>PM</sub>(μm) C<sub>之前</sub>(ft<sup>-3</sup>) C<sub>之后</sub>(ft<sup>-3</sup>) C<sub>空气</sub>(ft<sup>-3</sup>) E(％)
0.3 161104 7815 7146 99.56
0.5 456456 1296 1027 99.94
1.0 7511 112 103 99.88
2.5 633 33 25 98.68
5.0 113 14 13 99.0
10.0 9 3 3 100
注：dPM：PM颗粒的直径；C之前：过滤之前汽车废气中PM浓度(每平方英尺颗粒数目)；C之后：过滤之后汽车废气中PM浓度；C空气：环境空气中PM浓度；E：PM移除效率。
根据上面的说明和比较，明显的是，PI纳米纤维状空气过滤器显示了具有高效率和低空气压降的高温过滤的优异性能。如上面所提到，在PI分子中极性化学官能团导致与PM2.5的强结合亲和性。PI的重复单元的偶极矩(6.16D)比PAN(3.6D)和PVP(2.3D)的偶极矩高的多，使得PI具有高PM2.5移除效率。PI纳米纤维具有高热稳定性并可以在宽范围的温度中工作。PI空气过滤器在室温和高温两者下具有高PM2.5移除效率。虽然由不同聚合物诸如PAN和PVP制作的其他过滤器以及一些商业空气过滤器也具有高PM移除效率，但是它们在高温下不稳定并且不能工作。另外，商业空气过滤器具有高压降，由此当移除PM颗粒时，将消耗更多能源。相比而言，PI过滤器既具有高移除效率又具有非常低的压降。当移除PM颗粒时，这将允许高气流通过过滤器并节约大量能源。
PI纳米纤维状空气过滤器具有这样低压降的理由在于至少下面三个方面。首先，纳米纤维直径小以及PI空气过滤器具有低厚度。与具有2～30mm的厚度的常规纤维相比，PI过滤器的厚度在0.01～0.1mm的范围内。在纳米纤维之间存在大量空的空间。第二，纳米纤维具有比微纤维高得多的可用比表面积，其提供PM和纤维之间的更多接触。第三，当纳米纤维的直径与空气分子的平均自由路径(在正常条件下66nm)相当时，由于“滑移”效应("slip"effect)，气体速度在纤维表面处为非零。因为“滑移”效应，从纳米纤维至气流的曳力大大降低，因此大大地降低压降。
长期性能测试显示了PI空气过滤器具有高PM颗粒移除效率和长的生命周期。PI过滤器可以有效地移除来自高温汽车废气的几乎全部PM颗粒。上面性能证明PI纳米纤维状空气过滤器可以被用作用于高温PM2.5颗粒移除的非常有效的高效率空气过滤器。对于PI空气过滤器的工业应用，它们在室温和高温两者下既可以独立地工作也可以与工业灰尘收集器一起工作。
工作实施例
实施例1.1–电纺.聚合物的溶液系统是在二甲基甲酰胺(DMF，EMD Millipore)中的6wt％聚丙烯腈(PAN，MW＝1.5×105g/mol，Sigma-Aldrich)、在乙醇(FisherScientific)中的7wt％聚乙烯吡咯烷酮(PVP，MW＝1.3×106g/mol，Acros)、在蒸馏水中的10wt％的聚乙烯醇(PVA，MW＝9.5×104g/mol，Sigma-Aldrich)、和在DMF中的6wt％聚苯乙烯(PS，MW＝2.8×105g/mol，Sigma-Aldrich)连同0.1wt％的肉豆蔻基三甲基溴化铵(MTAB，Acros)。将聚合物溶液加载在具有22-规格针尖的1-mL注射器中，针尖连接至电压源(ES30P-5W，Gamma High Voltage Research)。使用注射器泵(KD Scientific)将溶液泵出针尖。在玻璃纤维线网(New York Wire)两侧上溅射涂覆(AJA International)～150nm的铜并接地以收集电纺的纳米纤维。线直径为0.011英寸，和网尺寸为18×16。电纺的纳米纤维将位于网孔上以形成空气过滤器，类似于前面的报告。仔细调节施加的电势、泵速率、电纺持续时间和针-收集器距离以控制纳米纤维直径和堆积密度。
实施例1.2–光透射比测量.光透射比测量使用氙灯(69911，Newport)作为光源，与单色仪(74125，Newport)连接以控制波长。虹膜被用于在进入用于透射比测量的积分球(Newport)之前调整光束尺寸至大约5mm×5mm。光检测器(70356，Newport)被插入积分球的端口之一。光二极管连接至锁定辐射测量系统(70100MerlinTM，Newport)用于光电流测量。将样品放置在积分球的前面；因此，包括了镜面透射比和扩散透射比两者。对于涂覆在铜线网上的空气过滤器，具有相同几何结构的清洁铜线网被用作参比。对于独立式过滤器，环境空气被用作参比。然后通过从400至800nm的AM1.5光谱加权透射比光谱，以获得平均透射比。
实施例1.3–PM产生和效率测量.对于全部性能测试，除非另有提到，通过燃烧从熏香烟雾产生模型PM颗粒。烟雾PM颗粒具有从<300nm至>10μm的宽尺寸分布，大部分颗粒<1μm。通过利用空气稀释烟雾PM控制流入浓度至等效于PM2.5指数>300的危险污染水平。通过颗粒计数器(CEM)检测利用和不利用过滤器的PM颗粒数目浓度，并通过比较过滤前后数目浓度计算移除效率。在坚硬PM捕获测试中，通过使用球磨机研磨土壤颗粒至亚微米尺寸制造灰尘PM颗粒。通过差分压力计测量压降(EM201B，UEi test instrument)。
实施例1.4–表征.通过利用5kV的加速电压的FEI XL30 Sirion SEM和15kV的EDX收集完成SEM图像和EDX。通过利用300kV的加速电压的FEI Titan TEM收集TEM图像和EELS数据。通过利用Al Kα源的PHI VersaProbe Scanning XPS Microprobe收集XPS能谱。通过Bruker Vertex 70FTIR光谱仪测量FTIR光谱。
实施例2–电空气过滤器.
实施例2.1–Cu溅射的微纤维/纳米纤维的材料合成途径.通过将商业聚丙烯(PP)剥离至200-500μm生产微纤维。纳米纤维通过电纺方法制作。聚合物溶液加载入具有22-规格针尖的1-mL注射器，针尖连接至电压源(ES30P-5W，Gamma High Voltage Research)。然后使用注射器泵(KD Scientific)将溶液泵出针尖。利用50-300nm的铜溅射涂覆(AJAInternational)微纤维或纳米纤维。参见图14A-14和15A-15B。
实施例2.2–官能化Cu涂覆的纳米纤维的材料合成途径.通过与上面相同的电纺方法合成芯聚合物纳米纤维。通过溅射涂覆50-300nm的铜。然后空气等离子体处理纳米纤维以产生–OH基团并通过气相表面修饰与3-氰基丙基三氯硅烷连接。其他官能涂层可以通过从稀释聚合物溶液浸涂制作。参见图14A-14B和16。
实施例2.3–PM产生和效率测量.对于全部性能测试，除非另有提到，通过燃烧从熏香烟雾产生模型PM颗粒。烟雾颗粒具有从<300nm至>10μm的宽尺寸分布，大部分颗粒<1μm。通过利用空气稀释烟雾PM控制流入浓度至等效于PM2.5指数>300的危险污染水平。通过颗粒计数器(CEM)检测利用和不利用过滤器的PM颗粒数目浓度，并通过比较过滤前后数目浓度计算移除效率。在坚硬PM捕获测试中，通过使用球磨机研磨土壤颗粒至亚微米尺寸制造灰尘PM颗粒。通过差分压力计测量压降(EM201B，UEi test instrument)。除非提到，在效率测试中使用的风速为0.21m/s和湿度为30％。
实施例2.4–过滤实验.彼此平行放置两个相同的导电空气过滤器。流入空气携带高浓度的PM污染物(>250μg/m3)。风速为0.21m/s。在过滤期间，施加0-15kV的电压至两个导电空气过滤器。通过比较流入和流出中PM浓度计算移除效率，PM浓度通过颗粒计数器检测。
实施例2.5–结果.如图17中所示，向前面电极施加负电压(0至-10kV)和向后面电极施加正电压(0至+10kV)。虽然微纤维状过滤器通常具有不足的PM2.5捕获效率，但是当施加外部电压时，效率显著地增加。例如，PM2.5移除效率从在0V下78.3％增加至在(-5kV，10kV)下98.0％或在(0V，10kV)下96.0％。
实施例3.1–电纺.在本研究中使用的聚合物的溶液系统是在二甲基甲酰胺(EMDMillipore)中的15wt％PI树脂(CAS#62929-02-6，Alfa Aesar)，在二甲基甲酰胺(EMDMillipore)中的6wt％PAN(MW＝1.5×105g/mol，Sigma-Aldrich)、在乙醇(FisherScientific)中的7wt％聚乙烯吡咯烷酮(MW＝1.3×106g/mol，Acros)。具有22-规格针尖的1-mL注射器被用于加载聚合物溶液并连接至电压源(ES30P-5W，Gamma High VoltageResearch)。注射器泵(KD Scientific)被用于将溶液泵出针尖。通过接地铜网收集电纺的纳米纤维。铜网的线直径为0.011英寸，和网尺寸为18×16。在电纺期间，纳米纤维将位于网孔上，以形成空气过滤器。
实施例3.2–PM产生和效率测量.通过燃烧熏香产生在该工作中使用的PM颗粒。熏香烟雾PM颗粒具有从<300nm至>10μm的宽尺寸分布，大部分颗粒<1μm。通过利用空气稀释烟雾PM，控制流入浓度至等效于PM2.5指数>300的危险污染水平。颗粒计数器(CEM)被用于检测过滤前后PM颗粒数目浓度。通过比较过滤前后数目浓度计算移除效率。
实施例3.3–高温过滤测量.在电管式炉(Lindberg/Blue)上进行高温过滤测量。首先，在边缘上用铜带涂覆PI过滤器。然后将过滤器放置在两个不锈钢管凸缘之间并利用螺钉牢固固定。然后将管凸缘连接至过滤测量系统并放置在管式炉内部。PM颗粒计数器(CEM)被用于测量颗粒数目浓度。对于每个温度，过滤器保持20分钟以稳定。
实施例3.4–光透射比测量.光透射比测量实施如下。氙灯(69911，Newport)作为光源，与单色仪(74125，Newport)连接以控制波长。在进入用于透射比测量的积分球(Newport)之前通过虹膜调整光束尺寸至大约5mm×5mm。光二极管连接至锁定辐射测量系统(70100MerlinTM，Newport)用于光电流测量。光检测器(70356，Newport)被插入积分球的端口之一。将过滤器样品放置在积分球的前面。包括了镜面透射比和扩散透射比两者。对于在铜网上收集的空气过滤器，具有相同几何结构的清洁铜网被用作参比。对于独立式过滤器，环境空气被用作参比。然后通过从400至800nm的AM1.5光谱加权透射比光谱，以获得平均透射比。
实施例3.5–压降测量.通过差分压力计(EM201B，UEi test instrument)测量压降。
实施例3.6–表征.通过具有用于成像的5kV加速电压的FEI XL30 Sirion SEM拍摄SEM图像。
实施方式1：一种空气过滤器，其包括基底和沉积在基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中空气过滤器具有至少50％的光透射比和至少70％的PM2.5移除效率。
实施方式2：实施方式1的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维包括含有具有至少2D的偶极矩的重复单元的聚合物。
实施方式3：实施方式1的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维包括含有具有至少3D的偶极矩的重复单元的聚合物。
实施方式4：实施方式1-3中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维包括含有包括腈基团的重复单元的聚合物。
实施方式5：实施方式1-4中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维包括聚丙烯腈。
实施方式6：实施方式1-5中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维具有10-900nm的平均直径。
实施方式7：实施方式1-6中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维具有50-500nm的平均直径。
实施方式8：实施方式1-7中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维被电纺至基底上。
实施方式9：实施方式1-8中任一项的空气过滤器，其中空气过滤器具有至少70％的光透射比。
实施方式10：实施方式1-9中任一项的空气过滤器，其中空气过滤器具有至少90％的PM2.5移除效率。
实施方式11：实施方式1-10中任一项的空气过滤器，其中空气过滤器具有至少90％的PM10-2.5移除效率。
实施方式12：实施方式1-11中任一项的空气过滤器，其中空气过滤器在70％的相对湿度下具有至少90％的PM2.5移除效率。
实施方式13：实施方式1-12中任一项的空气过滤器，其中空气过滤器在暴露至具有300的平均PM2.5指数和1英里/小时的平均风速的空气100小时后具有至少90％的PM2.5移除效率。
实施方式14：一种被动空气过滤装置，其包括实施方式1-13中任一项的空气过滤器。
实施方式15：一种窗纱，其包括实施方式1-13中任一项的空气过滤器。
实施方式16：一种可穿戴面罩，其包括实施方式1-13中任一项的空气过滤器。
实施方式17：一种制造实施方式中1-13任一项的空气过滤器的方法，其包括由聚合物溶液电纺聚合物纳米纤维至基底上。
实施方式18：实施方式17的方法，其中聚合物溶液包括1-20wt.％的聚合物。
实施方式19：一种制造空气过滤装置的方法，其包括将实施方式1-13中任一项的空气过滤器并入窗纱。
实施方式20：一种制造空气过滤装置的方法，其包括将实施方式1-13中任一项的空气过滤器并入可穿戴面罩。
实施方式21：一种电空气过滤器，其包括适于接收第一电压的第一层，其中第一层包括涂覆有导电材料的有机纤维。
实施方式22：实施方式21的电空气过滤器，其中有机纤维部分涂覆有导电材料。
实施方式23：实施方式22的电空气过滤器，其中有机纤维是微纤维或纳米纤维，并且其中导电材料选自金属、金属氧化物和导电聚合物。
实施方式24：实施方式22的电空气过滤器，其中有机纤维包括涂覆侧和未涂覆侧，并且其中未涂覆侧面对气流的方向。
实施方式25：实施方式21的电空气过滤器，其中有机纤维涂覆有导电材料，并且其中导电材料被表面官能化。
实施方式26：实施方式25的电空气过滤器，其中有机纤维是微纤维或纳米纤维，其中导电材料选自金属、金属氧化物和导电聚合物，并且其中导电材料被极性基团表面官能化，以增加对PM2.5的亲和性。
实施方式27：实施方式21-26中任一项的电空气过滤器，进一步包括适于接收第二电压的第二层。
实施方式28：一种通风系统，其包括实施方式21-27中任一项的电空气过滤器。
实施方式29：一种空调系统，其包括实施方式21-27中任一项的电空气过滤器。
实施方式30：一种汽车舱空气过滤器，其包括实施方式21-27中任一项的电空气过滤器。
实施方式31：一种窗纱，其包括实施方式21-27中任一项的电空气过滤器。
实施方式32：一种制造实施方式21-27中任一项的电空气过滤器的方法，其包括将金属或金属氧化溅射涂覆至微纤维或纳米纤维上。
实施方式33：实施方式32的方法，其中溅射涂覆是直接的，并且其中微纤维或纳米纤维部分涂覆有金属或金属氧化物。
实施方式34：一种制造实施方式21-27中任一项的电空气过滤器的方法，其包括处理涂覆有金属或金属氧化的微纤维或纳米纤维，以产生反应基，并使所述反应基与有机化合物反应以官能化金属或金属氧化物涂层的表面，从而增加对PM2.5的亲和性。
实施方式35：实施方式34的方法，其中利用空气等离子体处理涂覆有金属或金属氧化物的微纤维或纳米纤维，从而产生-OH基团，并且其中-OH基团与硅烷衍生物反应。
实施方式36：一种使用实施方式21-27中任一项的电空气过滤器过滤PM2.5的方法，其包括在电空气过滤器的第一层上施加电压。
实施方式37：实施方式36的方法，其中第一电压是正电压。
实施方式38：实施方式36的方法，其中第一电压是负电压。
实施方式39：一种使用实施方式24的电空气过滤器过滤PM2.5的方法，其包括在电空气过滤器的第一层上施加电压，和放置电空气过滤器以允许未涂覆侧面对气流的方向。
实施方式40：一种使用实施方式27的电空气过滤器过滤PM2.5的方法，其包括在第一层上施加第一电压，和在第二层上施加第二电压，其中第一电压和第二电压具有相反的极性。
实施方式41：一种用于高温过滤的空气过滤器，其包括基底和沉积在基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中空气过滤器在200℃的操作温度下具有至少70％的PM2.5移除效率。
实施方式42：实施方式41的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维包括含有具有至少3D的偶极矩的重复单元的聚合物。
实施方式43：实施方式41的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维包括含有具有至少6D的偶极矩的重复单元的聚合物。
实施方式44：实施方式41-43中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维包括选自聚酰亚胺、聚(对苯硫醚)、聚丙烯腈、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚四氟乙烯以及其衍生物的聚合物。
实施方式45：实施方式41-44中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维包括聚酰亚胺。
实施方式46：实施方式41-45中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维具有10-900nm的平均直径。
实施方式47：实施方式41-46中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维具有50-500nm的平均直径。
实施方式48：实施方式41-47中任一项的空气过滤器，其中聚合物纳米纤维被电纺至基底上。
实施方式49：实施方式41-48中任一项的空气过滤器，其中空气过滤器具有至少30％的光透射比。
实施方式50：实施方式41-49中任一项的空气过滤器，其中空气过滤器在200℃的操作温度下具有至少80％的PM2.5移除效率。
实施方式51：实施方式41-50中任一项的空气过滤器，其中空气过滤器在200℃的操作温度下具有至少80％的PM10-2.5移除效率。
实施方式52：实施方式中41-51任一项的空气过滤器，其中空气过滤器在0.2m/s的气体速度下具有100Pa或更少的压降。
实施方式53：实施方式41-52中任一项的空气过滤器，其中空气过滤器在200℃的操作温度下暴露至具有300的平均PM2.5指数和0.2m/s的平均风速的空气100小时后具有至少80％的PM2.5移除效率。
实施方式54：一种从污染源移除高温PM2.5颗粒的空气过滤装置，其包括实施方式41-53中任一项的空气过滤器。
实施方式55：一种车辆废气过滤器，其包括实施方式41-53中任一项的空气过滤器。
实施方式56：一种工业废气过滤器或电厂废气过滤器，其包括实施方式41-53中任一项的空气过滤器。
实施方式57：一种制造实施方式41-53中任一项的空气过滤器的方法，其包括从聚合物溶液电纺聚合物纳米纤维至基底上。
实施方式58：实施方式57的方法，其中聚合物溶液包括1-30wt.％的聚合物。
实施方式59：一种制造空气过滤器的方法，其包括将实施方式41-53中任一项的空气过滤器并入车辆废气过滤器。
实施方式60：一种制造空气过滤装置的方法，其包括将实施方式41-53中任一项的空气过滤器并入工业废气过滤器或电厂废气过滤器。
如本文所使用，单数术语“一(a、an)”和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文清楚地另外指出。因此，例如，提到一个分子可以包括多个分子，除非上下文清楚地另外指出。
如本文所使用，术语“基本上地”、“基本上的”和“大约”被用于描述和考虑小变化。当与事件或情况结合使用时，术语可以指事件或情况准确发生的例子以及事件或情况近似发生的例子。例如，术语可以指小于或等于±10％，诸如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。
此外，量、比例和其他数值在本文中有时以范围形式呈现。应当理解，使用这类范围形式是为了方便和简洁，并且应当灵活理解包括明确指定为范围的界线的数值，而且还包括该范围内包含的全部个体数值或子范围，如同每个数值和子范围被明确指定。例如，大约1至大约200的范围中的比例应当被理解为包括大约1和大约200的明确叙述的界线，而且还包括个体比例，诸如大约2、大约3和大约4，以及子范围，诸如大约10至大约50、大约20至大约100等等。
在前述描述中，可以对本文公开的本发明进行各种替换和修改，而不背离本发明的范围和精神，这对本领域技术人员将是容易清楚的。本文适当说明性描述的本发明可以在不存在本文中没有具体公开的任意一种或多种要素、一种或多种限制的情况下实践。已经采用的术语和表达被用作描述性而非限制性的术语，并且非意图在使用这类术语和表达中，排除显示和描述的特征或其部分的任何等效形式，而是应当认识到，在本发明的范围内各种修改是可能的。因此，应当理解，虽然已经通过具体实施方式和任选的特征阐明了本发明，但是本文公开的概念的修改和/或变化可以被本领域技术人员采用，并且这类修改和变化被认为在本发明的范围内。

Claims (28)

1.一种空气过滤器，其包括基底和沉积在所述基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中所述空气过滤器具有至少50％的光透射比和至少70％的PM2.5移除效率。
2.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维包括含有具有至少1D的偶极矩的重复单元的聚合物。
3.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维包括含有具有至少2D的偶极矩的重复单元的聚合物。
4.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维包括含有具有至少3D的偶极矩的重复单元的聚合物。
5.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维包括聚丙烯腈。
6.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维包括尼龙。
7.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维具有10-900nm的平均直径。
8.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维具有正净电荷或负净电荷。
9.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器具有至少50％的光透射比和至少90％的PM2.5移除效率，和至少90％的PM10-2.5移除效率。
10.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器在暴露至具有300的平均PM2.5指数和1英里/小时的平均风速的空气100小时后具有至少90％的PM2.5移除效率。
11.权利要求1所述的空气过滤器，其中其他材料被添加至聚合物纳米纤维，从而提供更大官能度。
12.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器在550nm波长具有至少50％的光透射比。
13.权利要求1所述的空气过滤器，其中所述基底是网。
14.一种空气过滤装置，其包括权利要求1所述的空气过滤器。
15.权利要求14所述的空气过滤装置，其被并入窗纱、可穿戴面罩、室内空气过滤单元、建筑空调和通风系统、汽车空调系统、汽车废气系统、工业废气系统、清洁房间空气过滤系统、香烟过滤器或室外过滤系统。
16.一种制造权利要求1所述的空气过滤器的方法，其包括从聚合物溶液电纺所述聚合物纳米纤维至所述基底上，所述聚合物溶液包括1-20wt.％的聚合物，所述聚合物含有具有至少1D、或至少2D、或至少3D的偶极矩的重复单元。
17.一种制造空气过滤装置的方法，其包括将权利要求1所述的空气过滤器并入窗纱，可穿戴面罩、室内空气过滤单元、建筑空调和通风系统、汽车空调系统、汽车废气系统、工业废气系统、清洁房间空气过滤系统、香烟过滤器或室外过滤系统。
18.一种用于高温过滤的空气过滤器，其包括基底和沉积在所述基底上的聚合物纳米纤维的网络，其中所述空气过滤器在至少70℃的操作温度下具有至少70％的PM2.5移除效率。
19.权利要求18所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维包括含有具有至少1D、或至少2D、或至少3D的偶极矩的重复单元的聚合物。
20.权利要求18所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维包括聚酰亚胺。
21.权利要求18所述的空气过滤器，其中所述聚合物纳米纤维具有10-900nm的平均直径。
22.权利要求18所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器在0.2m/s的气体速度下具有500Pa或更少的压降，在至少70℃的操作温度下具有至少80％的PM2.5移除效率，和在至少70℃的操作温度下具有至少80％的PM10-2.5移除效率。
23.权利要求18所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器在至少70℃的操作温度下在暴露至具有300的平均PM2.5指数和0.2m/s的平均风速的空气100小时后具有至少80％的PM2.5移除效率。
24.一种用于从污染源移除高温PM2.5颗粒的空气过滤装置，其包括权利要求18所述的空气过滤器。
25.权利要求24的空气过滤装置，其选自车辆废气过滤器、工业废气过滤器和电厂废气过滤器。
26.一种制造权利要求18所述的空气过滤器的方法，其包括从聚合物溶液电纺所述聚合物纳米纤维至所述基底上，所述聚合物溶液包括1-30wt.％的聚合物，所述聚合物包括具有至少1D的偶极矩的重复单元。
27.一种制造用于从污染源移除高温PM2.5颗粒的空气过滤装置的方法，其包括将权利要求18所述的空气过滤器并入车辆废气过滤器、工业废气过滤器或电厂废气过滤器。
28.权利要求18所述的空气过滤器，其中所述基底是网。
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Assignor: The Board of Trustees of The Leland Stanford Junior Univ.

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Denomination of invention: The air cleaner captured for high efficiency PM2.5

License type: Exclusive License

Record date: 20170905

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