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  在火災救援等高溫極端環境中，高濃度顆粒物與窒息性有毒氣體并存，嚴重威脅救援人員的呼吸安全。針對傳統濾材在高溫下穩定性不足、難以實現塵毒協同防護的問題。近日，中國礦業大學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。該材料實現了對顆粒物的高效過濾及對CO₂、SO₂等毒害氣體的精準吸附，為“塵毒共防”呼吸防護材料的發展提供了新思路。

  2025年12月22日，相關成果以“Multiscale Orientation Armoring Strategy to Heat-Resistant and High-Selectivity Nanofiber Membranes for Fireground Emergency”為題發表于學術期刊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科學研究院王小蕾研究員，揚州大學高杰峰教授，以及西安交通大學楊書桂教授。該研究獲國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目資助。

摘要圖：聚乳酸活性納纖膜實現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境的多尺度取向鎧甲化策略，通過立構復合晶誘導取向、界面極化增強電荷存儲及多孔晶體鎧甲化協同凈化，構建兼具結構穩定性與電學活性的納米纖維防護膜。該策略在高壓電場與高速牽伸協同作用下，實現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，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極化效應，使單一膜材料協同實現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構特征

  該研究通過多尺度取向鎧甲化構筑策略，實現了從分子鏈與偶極取向調控到納米纖維網絡結構穩定化的跨尺度構筑。在靜電紡絲過程中引入立構復合晶作為取向與交聯單元，在高壓電場與高速牽伸協同作用下，不僅提升了纖維成形穩定性，還誘導聚乳酸分子鏈、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構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，并構筑穩定的纖維–晶體協同界面。界面誘導極化效應實現電荷持續積累，使膜在保持良好通透性的同時協同實現顆粒物高效過濾與氣體污染物選擇性去除，為火場等嚴苛環境下的高效呼吸防護提供堅實基礎。

多尺度取向鎧甲化納米纖維膜的高活性與功能優化

  在微觀結構性能調控基礎上，研究進一步完成了膜在孔結構、表面化學與宏觀性能上的系統優化。通過高密度微孔與超微孔的協同構筑，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。經多尺度鎧甲化構筑的納米纖維膜在保持優異空氣通透性的同時，展現出優異力學強度，為高溫、高塵毒等復雜環境下的長期高效防護奠定堅實基礎。

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

  得益于精準的多尺度取向纖維調控及晶體鎧甲化化負載，本研究實現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晶體均勻負載于纖維表面，使膜對CO₂和SO₂表現出顯著吸附親和力，SO₂吸附能力尤其突出。膜在常溫及高溫條件下均保持優異選擇性分離性能，可有效區分CO₂、SO₂與N₂，實現氣體精準截留與清潔釋放。多次吸附–解吸循環后仍能保持近乎原始吸附能力，顯示出復雜環境下長期高效防護與可重復使用潛力。

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構穩定性與熱力學性能。在120?°C下長時間暴露仍能保持纖維平整無明顯收縮變形，優異耐熱性主要歸功于MOF晶體支撐作用與物理交聯效應，有效限制聚乳酸鏈段運動，抑制纖維熱變形。膜的結晶度與界面相互作用增強，進一步提高熱穩定性，并賦予優異熱舒適性，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，使膜在高溫環境下長期維持穩定防護性能，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，展現優異空氣通透性與高效過濾平衡。纖維膜在高塵環境長時間運行或多次清洗后仍可維持超過99%過濾效率，顯示長期使用穩定性與可靠性。

結論

  本研究基于多尺度取向鎧甲化策略，成功構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控、立構復合晶強化及MOF鎧甲化，實現了從分子鏈到宏觀纖維網絡的跨尺度優化，顯著提升了膜層的結構穩定性、表面電荷儲存及孔道活性。實驗結果顯示，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高溫環境下仍能對PM_0.3保持高達99.15%的過濾效率，展現出長期穩定的防護性能。該研究為高溫、復雜環境下的可持續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：中國礦業大學2022級博士研究生，主要研究高性能纖維及其在安全防護領域研究。相關成果已在《ACS Nano》、《Journal of Hazardous Materials》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《煤炭學報》等國內外高水平期刊發表，并多次獲得校級一等學業獎學金。

何新建：中國礦業大學職業健康研究院院長，江蘇省粉塵治理與職業防護工程研究中心主任，應急管理部有限空間事故調查指導專家組專家，國家“萬人計劃”青年拔尖人才、江蘇省特聘教授、國家重點研發計劃首席科學家，美國注冊安全專家（CSP），美國注冊工業衛生專家（CIH）。長期從事職業安全健康的科學研究與教學工作，主要研究領域包括氣溶膠科學、個體防護技術、職業危害暴露控制等。形成了以全身型高效防護裝備、應急救援降溫服為代表的多項科研成果，發表高水平學術論文近100篇，三次獲得美國工業衛生協會個體防護研究約翰-懷特（John M. White Award）學術獎。先后擔任美國職業衛生學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：先后畢業于南昌大學、四川大學、瑞典皇家理工學院，獲雙博士學位，長期從事高分子材料形態與性能調控的理論基礎和加工方法研究，圍繞高分子形態控制機理、特殊結構成型方法與多學科交叉應用開展系列工作，已發表研究論文100余篇，授權發明專利20余件，入選2025全球前2%頂尖科學家榜單。研究獲得國家自然科學基金青年和面上項目，國家重點研發計劃，江蘇省基礎研究計劃重點項目，國家能源集團十大科技攻關項目等資助支持。獲2021年貴州省自然科學獎三等獎，2022年首屆全國博士后揭榜領題金獎，2023年第二屆全國博士后創新創業大賽金獎，2025年第三屆全國博士后創新創業大賽銅獎，2025年第十九屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽江蘇省二等獎、全國二等獎等科研獎勵。