这篇论文的研究内容由新加坡科技设计大学Him Cheng Wong及其团队完成，研究成果发表在《Applied Materials Today》期刊上。
近年来，空气过滤膜在保护人类免受有害空气污染物和颗粒物（PM）方面的应用日益增加。尤其是在新冠疫情期间，对空气净化系统和过滤面罩的需求显著上升。传统的空气过滤膜通常采用熔喷或静电纺丝的非织造纤维膜，这些膜的纤维直径范围较广，导致孔隙结构不均匀，进而影响过滤效率和气流阻力。因此，开发新型高效空气过滤技术以满足对超细颗粒物的过滤需求显得尤为重要。本研究旨在设计和制造一种新型的分层异孔膜（Hierarchical Isoporous Membrane, HIM-S），该膜通过集成微米级间隔结构，能够在保持高过滤效率的同时显著降低压力损失。研究团队希望通过这种新型膜的开发，克服传统过滤膜在过滤效率和压力损失之间的权衡。
研究团队采用了两种主要的制造方法：毛细驱动软光刻和毛细模塑。这些方法使得研究人员能够以经济、简单且高通量的方式制造出具有高度均匀孔隙结构的异孔膜。HIM-S膜由超薄（厚度<1μm）的纳米孔活性过滤层和微孔支撑层组成。为了最大化气流并降低膜的压力损失，研究人员设计了微米级的间隔结构，这些结构类似于螺旋卷式反渗透膜中的进料间隔器。研究结果表明，HIM-S膜在过滤超细颗粒物时，能够保持超过95%的高过滤效率，同时将膜的压力损失降低约86%。通过对不同间隔高度的实验，研究团队发现，间隔高度的增加能够显著降低压力损失，直到达到一个饱和点。此外，研究还通过有限元分析对膜的气流和压力损失进行了建模，进一步验证了实验结果。
尽管HIM-S膜在过滤效率和压力损失方面表现出色，但在制造过程中仍面临一些挑战。首先，制造高孔隙率的纳米膜和微孔支撑层的难度较大，尤其是在保持膜的机械强度的同时。其次，膜的孔径和孔隙率的优化需要在制造可行性、膜的稳定性和过滤性能之间找到平衡。值得一提的是，研究团队使用了Nanoscribe设备Photonic Professional GT进行高精度的微纳米结构制造，这为膜的设计和制造提供了强有力的技术支持。
随着新一代印刷技术和模具材料的出现，研究团队相信可以克服制造异孔膜的关键挑战，进一步推动孔径和孔密度的极限。HIM-S膜的设计和制造方法为其在通风、空调系统、洁净室以及过滤呼吸器等领域的应用提供了可能性，尤其是在应对以超细颗粒物、病毒和感染性气溶胶为主的空气质量控制方面。随着技术的不断进步，HIM-S膜有望在多个领域得到广泛应用，为改善空气质量和保护人类健康做出贡献。
其团队的研究为空气过滤技术的发展提供了新的思路和方法。通过设计和制造具有层次结构的异孔膜，研究团队成功实现了高过滤效率与低压力损失的平衡，为未来的空气过滤技术奠定了基础。研究的成功不仅展示了新型膜材料的潜力，也为未来的空气过滤技术提供了新的方向，尤其是在应对日益严重的空气污染和公共卫生危机方面。随着对空气质量要求的提高，HIM-S膜的应用前景将更加广阔，期待其在实际应用中发挥重要作用。
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https://doi.org/10.1016/j.apmt.2023.101856