在火灾救援等高温极端环境中，高浓度颗粒物与窒息性有毒气体并存，严重威胁救援人员的呼吸安全。针对传统滤材在高温下稳定性不足、难以实现尘毒协同防护的问题。近日，中国矿业大学何新建教授与徐欢副教授团队提出了一种多尺度取向铠甲化策略，构筑出了兼具耐高温性与高选择性净化能力的聚乳酸活性纳纤膜。该材料实现了对颗粒物的高效过滤及对CO₂、SO₂等毒害气体的精准吸附，为“尘毒共防”呼吸防护材料的发展提供了新思路。

  2025年12月22日，相关成果以“Multiscale Orientation Armoring Strategy to Heat-Resistant and High-Selectivity Nanofiber Membranes for Fireground Emergency”为题发表于学术期刊ACS Nano上（DOI: 10.1021/acsnano.5c16047）。论文第一作者为2022级博士生王存民，合作者包括中国安全生产科学研究院王小蕾研究员，扬州大学高杰峰教授，以及西安交通大学杨书桂教授。该研究获国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。

摘要图：聚乳酸活性纳纤膜实现耐高温以及颗粒物与毒害气体一体化共防

多尺度取向铠甲化策略赋能耐高温高选择性纳米纤维膜

  研究团队提出了一种面向火场等极端环境的多尺度取向铠甲化策略，通过立构复合晶诱导取向、界面极化增强电荷存储及多孔晶体铠甲化协同净化，构建兼具结构稳定性与电学活性的纳米纤维防护膜。该策略在高压电场与高速牵伸协同作用下，实现聚乳酸纳米纤维在分子链、偶极子及纤维尺度上的多级取向重构，显著提升材料的耐高温性能。进一步引入氨基修饰MOF晶体铠甲化与界面诱导极化效应，使单一膜材料协同实现有毒气体选择性吸附与颗粒物高效过滤。

多尺度取向铠甲化纳米纤维膜的结构特征

  该研究通过多尺度取向铠甲化构筑策略，实现了从分子链与偶极取向调控到纳米纤维网络结构稳定化的跨尺度构筑。在静电纺丝过程中引入立构复合晶作为取向与交联单元，在高压电场与高速牵伸协同作用下，不仅提升了纤维成形稳定性，还诱导聚乳酸分子链、C=O偶极及纳米纤维沿轴向高度取向，并显著增强了纤维结构有序性与耐高温能力。以取向纤维为铠甲化基底，将氨基修饰的高选择性MOF晶体均匀锚定于纤维表面，显著提升材料对CO₂、SO₂等有毒气体的吸附能力，并构筑稳定的纤维–晶体协同界面。界面诱导极化效应实现电荷持续积累，使膜在保持良好通透性的同时协同实现颗粒物高效过滤与气体污染物选择性去除，为火场等严苛环境下的高效呼吸防护提供坚实基础。

多尺度取向铠甲化纳米纤维膜的高活性与功能优化

  在微观结构性能调控基础上，研究进一步完成了膜在孔结构、表面化学与宏观性能上的系统优化。通过高密度微孔与超微孔的协同构筑，形成丰富的吸附位点，为有毒气体的高效捕获提供分子级保障。高选择性MOF晶体在纤维表面的均匀负载略微降低了孔隙率的同时增强了表面活性，使水分子易于滞留于纤维界面，从而提升对极性污染物的吸附效率。经多尺度铠甲化构筑的纳米纤维膜在保持优异空气通透性的同时，展现出优异力学强度，为高温、高尘毒等复杂环境下的长期高效防护奠定坚实基础。

多尺度取向铠甲化纳米纤维膜的有害气体滤除与高选择性分离性能

  得益于精准的多尺度取向纤维调控及晶体铠甲化化负载，本研究实现了纳米纤维膜对有害气体的高效捕获与选择性分离。氨基修饰的MOF晶体均匀负载于纤维表面，使膜对CO₂和SO₂表现出显著吸附亲和力，SO₂吸附能力尤其突出。膜在常温及高温条件下均保持优异选择性分离性能，可有效区分CO₂、SO₂与N₂，实现气体精准截留与清洁释放。多次吸附–解吸循环后仍能保持近乎原始吸附能力，显示出复杂环境下长期高效防护与可重复使用潜力。

多尺度取向铠甲化纳米纤维膜的耐高温性能

  多尺度取向铠甲化策略显著增强了膜在高温条件下的结构稳定性与热力学性能。在120?°C下长时间暴露仍能保持纤维平整无明显收缩变形，优异耐热性主要归功于MOF晶体支撑作用与物理交联效应，有效限制聚乳酸链段运动，抑制纤维热变形。膜的结晶度与界面相互作用增强，进一步提高热稳定性，并赋予优异热舒适性，在模拟光照下表面温度低于未铠甲化膜。刚性骨架与界面增强效应，使膜在高温环境下长期维持稳定防护性能，为极端工况下呼吸防护提供可靠保障。

多尺度取向铠甲化纳米纤维膜的细微颗粒物滤除性能

  MOF均匀铠甲化及纳米纤维界面极化效应赋予膜强大表面电荷储存与持久电场，可高效捕获PM_0.3和PM_2.5。在32 L/min流速下，PM_0.3过滤效率达99.12%，PM_2.5达99.95%，即使在高流速或120?°C高温下仍保持PM_0.3过滤效率99.15%，压力降仅轻微增加，展现优异空气通透性与高效过滤平衡。纤维膜在高尘环境长时间运行或多次清洗后仍可维持超过99%过滤效率，显示长期使用稳定性与可靠性。

结论

  本研究基于多尺度取向铠甲化策略，成功构筑了一类兼具耐高温、高效颗粒物过滤与有害气体选择性吸附功能的多尺度取向铠甲化纳米纤维膜。该材料通过纳米纤维多尺度取向调控、立构复合晶强化及MOF铠甲化，实现了从分子链到宏观纤维网络的跨尺度优化，显著提升了膜层的结构稳定性、表面电荷储存及孔道活性。实验结果显示，膜材料在常温下对PM_0.3、PM_2.5的过滤效率分别高达99.12%和99.95%，对CO₂与SO₂的吸附能力也显著增强，同时在120?°C高温环境下仍能对PM_0.3保持高达99.15%的过滤效率，展现出长期稳定的防护性能。该研究为高温、复杂环境下的可持续空气净化与呼吸防护提供了可靠的材料解决方案，具有广泛应用前景。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c16047

作者介绍

王存民：中国矿业大学2022级博士研究生，主要研究高性能纤维及其在安全防护领域研究。相关成果已在《ACS Nano》、《Journal of Hazardous Materials》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《煤炭学报》等国内外高水平期刊发表，并多次获得校级一等学业奖学金。

何新建：中国矿业大学职业健康研究院院长，江苏省粉尘治理与职业防护工程研究中心主任，应急管理部有限空间事故调查指导专家组专家，国家“万人计划”青年拔尖人才、江苏省特聘教授、国家重点研发计划首席科学家，美国注册安全专家（CSP），美国注册工业卫生专家（CIH）。长期从事职业安全健康的科学研究与教学工作，主要研究领域包括气溶胶科学、个体防护技术、职业危害暴露控制等。形成了以全身型高效防护装备、应急救援降温服为代表的多项科研成果，发表高水平学术论文近100篇，三次获得美国工业卫生协会个体防护研究约翰-怀特（John M. White Award）学术奖。先后担任美国职业卫生学会呼吸防护委员会主席、美国NIOSH特聘客座研究员、国际呼吸防护期刊JISRP副主编等。

徐欢：先后毕业于南昌大学、四川大学、瑞典皇家理工学院，获双博士学位，长期从事高分子材料形态与性能调控的理论基础和加工方法研究，围绕高分子形态控制机理、特殊结构成型方法与多学科交叉应用开展系列工作，已发表研究论文100余篇，授权发明专利20余件，入选2025全球前2%顶尖科学家榜单。研究获得国家自然科学基金青年和面上项目，国家重点研发计划，江苏省基础研究计划重点项目，国家能源集团十大科技攻关项目等资助支持。获2021年贵州省自然科学奖三等奖，2022年首届全国博士后揭榜领题金奖，2023年第二届全国博士后创新创业大赛金奖，2025年第三届全国博士后创新创业大赛铜奖，2025年第十九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江苏省二等奖、全国二等奖等科研奖励。