中国矿业大学职业健康研究院李欣雨博士和王存民博士在何新建教授和徐欢副教授的共同指导下，依托“江苏省粉尘治理与职业防护工程研究中心”科研平台，围绕高效呼吸防护装备材料与技术，自主搭建了“过滤性能+自供能效应”同步监测平台，能够实现对过滤效率、空气阻力和电压/电流/电荷等电信号的同步输出，为研究纤维空气过滤材料中结构转变及其与介电性能、驻极性能和自供能效应之间关系提供了新技术和新方法，系列研究成果在《ACS Appl. Mater. Interfaces》和《煤炭学报》等期刊发表。
作为全球范围内影响公共健康、生态环境和经济发展的焦点问题，污染空气中细微颗粒物（PM2.5）由于尺寸小、成分复杂、穿透性强，易被吸入到肺部后通过血液进入心脏、肝脏和肾脏等几乎所有人体器官，甚至穿过血脑屏障进入大脑，严重危害人体健康。据统计，全球只有0.18%陆地面积（对应0.001%人口）年平均PM2.5浓度不超过世卫组织建议的健康限值（≤5 µg/m³）。为切断PM2.5污染和病毒气溶胶传播，目前广泛采用高分子纤维空气过滤材料进行空气净化。
传统高分子纤维过滤材料常采用不可降解的熔喷聚丙烯或聚偏二氟乙烯，并结合驻极处理以获得静电吸附作用，但多为低能级浅陷阱电荷，易在湿热和雾霾环境中耗散，导致电荷寿命较短、过滤性能衰减快、有效防护周期短，而频繁更换产生了大量塑料污染及微塑料危害。尽管聚乳酸（PLA）因其良好生物降解性、高力学强度和易加工性而成为最具前景的纤维过滤材料，但受限于介电常数较低、极化效应差、电荷存储能力低等缺陷，难以满足其在空气过滤领域应用。为应对上述挑战，个体防护技术与装备研究团队相继提出“原位MOF化+受限极化”和“自增强电活性（SREA）”两种策略，充分调控PLA偶极子排列、分子链构象、纤维及其聚集体形态，进而显著提高PLA纤维滤膜电活性、过滤性能和服役效能。
策略一（图1）：在微米级PLA纤维表面原位生长高比表面积的ZIF-8晶体，然后在高压和低温下进行受限极化，促使PLA链和ZIF-8中偶极子进行有序排列。原位MOF化与受限极化协同作用，使PLA纤维膜的抗拉强度增加27%至4.4 MPa，断裂韧性增加了8倍（达1.46 MJ/m3），表面电位接近4 kV，对PM0.3滤除效率提高20%，烟雾颗粒的过滤效率在90%以上，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效率分别为87%和100%，展现了低成本抗菌纤维过滤材料的良好应用前景。
图1. 原位MOF化和受限极化协同制备可降解高抗菌MOFilters
策略二（图2）：采用超高压静电场和高倍牵伸相结合的技术路线，使电纺PLA纳米纤维细化和取向，显著促进电活性组分的形成（包括β相、高取向分子链和C=O偶极子），从而提高静电极化和原位驻极性能。因此，PLA纳纤膜的表面电位和过滤性能得到大大提高，即使在85 L/min大气流量下仍可高效滤除PM0.3和PM2.5（分别达90.68%和99.82%）。得益于高电活性和显著的摩擦电效应，PLA纳纤膜可收集呼吸振动持续注入电荷，在仿人呼吸振动（32 L/min）的激发条件下，纤维膜表面电位提高9.21倍至‒1.43 kV，对PM0.3滤除效率稳定在~94.3%的高水平，并展现出优异的智能监测呼吸功能。
图2. 面向长效呼吸防护和自供能监测的高电活性可降解纳米纤维空气过滤膜
未来，围绕可降解纤维过滤膜在呼吸防护和智能监测领域的重要应用，团队将继续深入开展基于高电活性PLA纤维的呼吸防护和智能监测研究，特别是探索突发应急状态、肺部疾病状态下个体生命体征的智能监测。此外，结合无线传输和机器学习等方法，有望实现对作业人员定位和生命体征远程监测。
