DOI 10.1007/s12221-021-0404-4

纳米纤维海绵具有超低密度、高比表面积等优点，在过滤分离领域显示出巨大的潜力。为了制备用于高温烟雾过滤的纳米纤维海绵，选择了耐腐蚀和耐高温的聚四氟乙烯（PTFE）为原料。通过静电纺丝法制备的PTFE纳米纤维内部呈现出不规则的凹凸孔，可以增大比表面积并进一步提高过滤性能。然而，由PTFE纳米纤维制成的海绵收缩严重，这限制了海绵制品的发展。在这项研究中，将由聚酰胺酸（PAA）纳米纤维加工而成的聚酰亚胺（PI）纳米纤维引入PTFE海绵中，以增强其尺寸稳定性。还研究了影响复合海绵形态、孔隙率、收缩率和热力学性质的参数。此外，测试了复合海绵的过滤性能。结果表明，所制备的PTFE/PI复合纳米纤维海绵具有高孔隙率（94.34-98.12％），优异的热稳定性（在550℃以上）和良好的过滤效率（对PM2.0的最大过滤效率达到99.97％），在高温过滤领域具有广阔的应用前景。

图1.（a）海绵的制备过程示意图，（b）PTFE/PI海绵的SEM图像，以及（c）在不同温度下烧结的海绵的外观（PAAs:PTFE=4:6，纤维含量为1％）。

图2.悬浮液中纤维含量为1％，烧结温度为300℃时，PAAs/PTFE比例不同的海绵的SEM图像；（a-a'）0:10，（b-b'）2:8，（c-c'）3:7，（d-d'）4:6，（e-e'）5:5，（f-f'）10:0，（g）在不同温度下烧结后不同海绵的孔隙率，以及（h）在不同温度下烧结后不同海绵的收缩率。

图3.当PAAs/PTFE的比例为4:6，烧结温度为300℃时，不同纤维含量的海绵的SEM图像：（a）0.5％，（b）1％，（c）1.5％，（d）2％，（e）在不同温度下烧结后不同纤维含量的海绵的孔隙率，（f）在不同温度下烧结后不同纤维含量的海绵的收缩率。

图4.当PAAs/PTFE的比例为4:6，纤维含量为1％时，不同温度下烧结的海绵的SEM图像：（a-a'）0℃，（b-b'）250℃，（c-c'）300℃，（d-d'）350℃，（e-e'）380℃。

图5.（a）PTFE/PI海绵的氮气吸附-解吸等温线，其中PAAs/PTFE的比例为4:6，纤维含量为1％，烧结温度为300℃，（b）相关的BJH孔径分布由氮气吸附支和吸附等温线计算得出。

图6.不同纤维含量的海绵的孔径和孔径分布，其中PAAs/PTFE的比例为4:6，烧结温度为300℃：（a）0.5％，（b）1％，（c）1.5％，和（d）2％。

图7.烧结前后复合海绵的FTIR光谱。

图8.（a）PTFE-PEO、PAAs和PI纳米纤维的DSC曲线，（b）PEO和PTFE-PEO纳米纤维的TG曲线，（c）具有不同PAAs/PTFE比的复合海绵的TG曲线，以及（d-d'）在不同烧结温度下制备的复合海绵的TG曲线。

图9.海绵在（a）不同烧结温度和（b）不同纤维含量下的压缩应变-应力曲线，（c）与其他海绵相比，PTFE/PI海绵的最大应力-应变曲线，（d）不同海绵在80％压缩应变下的抗压强度与密度的关系图。

图10.当PAAs/PTFE的比例为4:6，烧结温度为300℃时，海绵的过滤性能；（a）海绵的过滤效率，（b）不同过滤时间下海绵的压降，（c）不同过滤时间下海绵对PM1.0的过滤效率，以及（d）不同过滤时间下海绵对PM2.0的过滤效率。