一、仿生结构设计：粗/细纤维复合网络

企鹅羽毛由粗直纤维和垂直分布的细纤维构成，这种结构既能保持骨架稳定，又能高效拦截颗粒。

研究团队参照这一原理，将静电纺丝制备的PSMT微纳米纤维（平均直径2.05 μm）切割成短纤维，与粗PET纤维（0.5 dtex）复合。在湿法成型过程中，细短纤维均匀填充于粗纤维形成的大孔之间，将平均孔径从22.25 μm降至7.14 μm，降幅达68%。

这一结构使得过滤器既能通过粗纤维骨架保持低气流阻力，又能依靠细纤维网络高效拦截细小颗粒。

二、分散关键：两亲性嵌段共聚物（DBCP）调控纤维表面电荷

疏水性静电纺丝纤维在水相体系中易团聚，是湿法工艺的主要障碍。

研究团队合成了一种两亲性嵌段共聚物PAA₁₀₀-b-PnBA₅₇（DBCP），其疏水段吸附于PSMT纤维表面，亲水段伸向水相，通过静电排斥作用实现纤维均匀分散。zeta电位测试显示，添加DBCP后纤维表面电荷明显增强。

对比实验表明：未添加DBCP时，PSMT短纤维严重团聚，孔隙分布极不均匀；添加DBCP后，纤维分散均匀，形成规整的三维网络。

三、过滤性能：PM₂.₅去除率100%，压降92.6 Pa

以DEHS油性颗粒为测试物，在5.33 cm/s风速下：

• WHFN-B-40样品对PM₂.₅过滤效率达100%，对PM₁达91.91%

• 相比纯PET基材（PM₂.₅ 60.42%，PM₁ 19.66%），分别提升39.58%和72.25%

• 压降仅92.6 Pa，品质因子达0.045 Pa⁻¹

在高风速条件（18.85 cm/s）下，由于纤维中蒙脱石（MT）的摩擦起电效应，过滤效率进一步提升，WHFN-B-40对PM₁效率达98.01%。

四、耐久性与稳定性

• 机械强度：WHFN-B-40拉伸强度达7.5 MPa，是纯基材（2.8 MPa）的2倍以上

• 循环测试：50次过滤循环后，PM₂.₅效率保持100%，PM₁仅略微下降

• 长期过滤：3小时连续测试后，PM₁效率从94.15%降至90.54%，压降仅增加12 Pa

• 环境稳定性：135天储存及75%湿度12小时后，性能基本保持不变

五、CFD模拟验证

为验证实验结果的可靠性，团队基于实际纤维参数建立了三维模型进行流体力学模拟。模拟结果显示：

• 压力场分布：随PSMT短纤维比例增加，压降呈上升趋势，与实验数据趋势一致

• 颗粒运动轨迹：WHFN-B-40模型中，大部分颗粒在接触滤材上表面即被捕获，速度迅速降为零

• 过滤效率预测：模拟效率与实测效率变化趋势高度吻合

六、结论

本研究通过静电纺丝技术制备功能性短纤维，结合湿法成型工艺，成功构建了仿生结构的混合纤维网络过滤器。该材料在保持低压降的同时实现了高效PM过滤，具有良好的机械强度和稳定性，为高性能空气过滤材料的工业化应用提供了可行路径。