快速灭活型高效颗粒空气（HEPA）滤材在公共卫生防护和高洁净制造等领域具有重要意义，但其实际应用长期受限于抗菌剂与传统施胶体系之间较差的兼容性，容易导致涂层分布不均和抗菌效率受限。

  近期，华南理工大学轻工科学与工程学院王小英教授团队提出了一种具有规模化与工业化应用潜力的构筑策略，利用封闭型异氰酸酯与阳离子抗菌剂之间良好的体系兼容性，以及其在水触发条件下原位形成稳定聚脲网络的特性，通过传统玻璃纤维施胶工艺构筑了兼具三重功能的HEPA滤纸（BPA滤纸）。该策略实现了阳离子抗菌剂在玻璃纤维表面的均匀沉积，同时原位形成的致密氢键聚脲网络不仅增强了抗菌组分之间的协同作用，还提高了其与玻璃纤维之间的界面结合能力。最终，BPA滤纸在满足GB/T 13554标准机械性能要求的同时，兼具高效微生物静电捕获与快速接触灭活能力，并可分别在2 h和6 h内实现对细菌和真菌的100%灭活。此外，该施胶体系对多种阳离子抗菌剂均具有良好兼容性，并在辐照环境下保持稳定性能，展现出其在医疗防护及航空航天等下一代空气净化领域中的广阔应用前景。

  该工作以“Scalable Cationic?Polyurea Adhesive Engineering Enabling Glass?Fiber HEPA Filters with Mechanically Robust, High-Efficiency Microbial Capture and Rapid Inactivation”为题发表于《Advanced Functional Materials》，题目为。华南理工大学的熊雨桐博士为第一作者，华南理工大学的王小英教授为通讯作者，广东药科大学的黎珊珊博士为共同通讯作者。该工作得到了广州市科技计划、广东省普通高校青年创新人才项目等支持。

  BPA滤纸的制备过程包括施胶液配置、施胶及热固化等步骤。首先通过湿法成型制备玻璃纤维（GF）滤纸，随后以封闭型六亚甲基二异氰酸酯三聚体（tri-HDI）、水和聚氨丙基双胍（PAPB）构建BPA施胶体系。在热处理过程中，tri-HDI发生解封，并与水反应形成聚脲网络。与此同时，PAPB能够与聚脲中的脲基形成强氢键相互作用，从而构筑兼具共价交联与非共价氢键增强的滤纸结构。相比其他类型抗菌剂，阳离子聚合物通常具有更快的灭菌速率和更高的抗菌效率，其中BPA滤纸可在2 h内实现对金黄色葡萄球菌的100%灭活。此外，该体系所采用的施胶剂与抗菌剂成本与现有工艺相近，并具备良好的规模化制备潜力。在实验室条件下，可制备尺寸达80×40 cm²的滤纸，表现出足够的过滤性能和机械强度，同时具有优异的微生物捕获、快速灭活及辐照稳定性（图1）。

图1. BPA玻璃纤维HEPA滤纸的制备过程、聚脲网络形成机制、抗菌性能、成本分析、规模化制备及综合性能评价

  具体而言，热处理过程中，BI解封后与水反应形成聚脲交联网络，DSC、TGA、2D-COS及FTIR峰分离结果证实了解封、水扩链及大量脲基氢键的同步形成。聚脲网络提供刚性共价交联结构，而脲基间氢键进一步增强纤维界面结合与机械性能（图2）。引入PAPB后，体系仍保持良好分散稳定性。1H NMR、FTIR峰分离及分子动力学模拟表明，PAPB主要通过非共价作用嵌入聚脲网络，其质子化胍基能够与脲基C=O形成较原有“脲基-脲基”氢键更稳定的氢键网络，并伴随离子-偶极相互作用，从而增强分子间结合及其与玻璃纤维表面的作用。PAPB含量为0.05 wt%时滤纸抗张强度达到最大值1.13 kN/m；进一步增加PAPB则因自聚集和相分离导致力学性能下降（图3）。

图2. tri-HDI解封及聚脲形成过程、BI固化行为、二维红外相关光谱分析、氢键结构解析、BI分子网络结构示意及其透明形貌

图3. BPA施胶体系稳定性、氢键相互作用与界面机制分析，以及PAPB含量对滤纸结构与机械性能的影响

  滤纸始终保持超过99.95%的过滤效率和较高QF值，满足HEPA标准要求。SEM结果表明，聚脲/PAPB层均匀包覆于玻璃纤维表面并增强纤维间结合；过滤过程中，除机械拦截外，PAPB与带负电颗粒之间的静电吸附进一步促进颗粒捕获（图4）。PAPB赋予滤纸显著的接触杀菌能力。随着PAPB含量增加，自由阳离子活性位点增多，抗菌活性持续提升，其中BPA-0.3滤纸可在2 h内完全灭活大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，并在6 h内完全灭活白色念珠菌。机制研究表明，PAPB通过与带负电微生物表面的静电作用破坏细胞膜完整性，引起胞内物质泄漏并最终导致细胞裂解（图5）。

图4. 不同浓度PAPB得到的BPA滤纸对金黄色葡萄球菌的抗菌性能、过滤性能；不同滤纸的孔结构与BPA滤纸的静电捕获机制，以及折叠后的结构稳定性与力学性能

图5.BPA滤纸对细菌和真菌的抗菌性能及抗菌机制

  气溶胶过滤结果表明，BPA-0.3滤纸兼具“高效捕获-快速灭活”双重功能，可显著降低微生物二次释放风险，并对MS2噬菌体模拟病毒表现出同步截留与失活能力。组装成空气净化器滤芯后，可有效去除PM2.5和PM10颗粒物（图6）。经100 kGy γ射线辐照后，滤纸仍保持稳定的机械性能、过滤效率和抗菌活性，表现出优异的耐辐照稳定性。此外，该施胶体系对多种阳离子抗菌剂具有良好兼容性，部分含羟基或氨基的抗菌剂可进一步参与聚脲网络构筑，实现力学增强与抗菌功能协同；通过引入MTMS还可赋予滤纸疏水性能，显示出良好的工程化应用与拓展潜力（图7）。

图6. BPA滤纸对微生物气溶胶的捕获与灭活性能，以及空气净化器中的实际空气净化应用表现

图7.BPA滤纸的辐照稳定性、生物相容性、长期抗菌稳定性及不同阳离子抗菌体系的普适性分析

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202532093