空气过滤用高效低阻纳米纤维材料的结构调控及构效关系研究

发布时间：2018-07-06 07:20

本文选题：静电纺丝 + 纳米纤维　；参考：《东华大学》2017年博士论文

【摘要】：近年来,严重的雾霾污染问题对人体健康和社会生产生活带来了巨大危害。在人体健康方面,雾霾中的细颗粒物(PM_(2.5))可以深入肺部和心血管系统,增加患脑卒中、心脏病、肺癌以及哮喘等慢性呼吸道疾病的风险,导致全球每年300多万人过早死亡;此外,当空气中PM_(2.5)水平高于70μg m-3时,每增加10μg m-3,膜性肾病的发病风险增加14%。在生产生活方面,高浓度雾霾天气中悬浮灰尘会使电力系统绝缘体表面污秽增加,导致漏电、断裂等事故发生,造成电力系统灾难性的破坏;此外,雾霾中的微小颗粒物极易渗入到精密仪器的加工和使用过程中,妨碍精密仪器和设备的高效运转。因此,如何制备高效的空气过滤材料以保障人体健康、确保工业生产顺利进行,成为当前关乎国际民生的重大课题。现有的主流空气过滤材料主要包括:普通非织造纤维材料、熔喷驻极纤维材料和超细玻璃纤维材料。普通非织造纤维材料的纤维直径多为微米数量级,对气流具有较大的阻滞作用,且纤维聚集而成的孔径较大,难以实现对微细颗粒物的有效过滤;熔喷驻极纤维材料虽可在不增加压阻的情况下依靠静电吸附作用实现对微细颗粒物的高效过滤,但其驻极电荷对湿度具有高度的敏感性,且雾霾环境中的油性物质也会促使电荷耗散进而导致过滤效率骤降,在长期使用中其安全性难以保障;超细玻璃纤维材料以其纤维直径细、孔径小的结构特征,可实现对微细颗粒物的高精度物理拦截,具有较高的过滤效率,但其紧密的堆积结构带来空气阻力大的缺点,且玻璃纤维自身的脆性及其致癌性仍是限制其发展的重要因素。利用静电纺丝方法制备的纳米纤维空气过滤材料具有纤维直径小、纤维膜孔径小、孔隙率高的结构特点,可在有效拦截微细颗粒物的同时为气流提供丰富的输运孔道,可同时赋予材料高过滤效率、低空气阻力的特性,且静电纺纳米纤维易与其他功能性物质相结合实现材料的功能化应用。因此,静电纺纳米纤维材料在空气过滤领域具有广阔的应用前景。本文在概述了静电纺纳米纤维空气过滤材料研究现状的基础上,深入分析了现有静电纺纳米纤维空气过滤材料存在的问题,指出了问题解决的关键是明晰静电纺纤维材料的结构调控准则、阐明材料结构与性能间的构效关系。为此,本论文进行了高效低阻纳米纤维空气过滤材料的结构调控及构效关系研究。首先以纤维直径和聚集体孔径为主要出发点,构筑了具有空气滑移效应的纳米纤维膜,实现了低压阻材料的可控制备;在此基础上,分别掌握了具有热湿舒适性、负离子释放功能的纳米纤维空气过滤材料的最优化结构调控方法。通过纤维材料结构和表界面性质的协同调控,制备出具有长效驻极稳定性的空气过滤材料。所取得的主要研究成果如下:(1)针对当前空气过滤材料压阻难以进一步降低的问题,从单纤维附近的气流分布状态出发,研究了单纤维直径对阻力压降的影响规律,首先构筑了一系列平均直径不同、过滤效率同等(约45%)的高孔隙率薄层纳米纤维膜,对其压阻进行了测试,发现当纤维直径由168nm降至71nm时,其压阻由15pa降至9pa,当纤维直径由71nm进一步降至60nm时,材料的压阻上升了10%,当纤维直径由60nm进一步降至53nm时,材料的压阻上升了20%。通过构建单纤维附近的气流场分布模型,验证了单纤维产生的压阻随纤维直径的降低而下降的结论,并进一步通过构建纤维聚集体内部的气流场分布模型,得出纳米纤维膜的空气滑移效应还受纤维搭接形成的孔结构影响。在此基础上,首次在拖曳力系数公式中引入了平衡因子τ=df/d2,揭示了纤维堆积结构与滑移效应间的构效关系,并通过对比四个过滤水平(44~45%、66~68%、86~88%、95~96%)下纤维膜压阻随直径及厚度的变化规律,得到了使滑移效应存在时纤维膜的临界孔径(3.5μm)。以此为理论指导,制备出pm2.5过滤效率为99.09%时,压阻仅为29.5pa的空气过滤材料,其将pm2.5从500μgm-3降至35μgm-3仅需15min,远优于市售高端空气过滤材料(37min),为高效低阻空气过滤材料的制备提供了理论指导。(2)针对现有空气过滤材料在高湿条件下热湿舒适性不足的问题,利用超亲水纤维来增强高湿条件下水分子的吸附-解吸过程,从而使材料具备湿汽传导功能,利用疏水聚合物来避免材料中产生毛细水,从而保持过滤时压阻的恒定。研究了pvdf/pan的射流比例(6/0、4/2、2/4、0/6)对材料在湿汽环境下过滤性能的影响,结果表明,在60min内随着亲水纤维组分的增加材料的过滤效率和压阻均呈上升趋势,进一步对亲水纤维间水膜的形成机制进行了研究。此外,通过研究不同射流比例下材料吸收水和扩散水的变化,得到了亲疏水复合纳米纤维膜的透湿机制以及过滤性能与透湿性能间的关系,得到了最佳pvdf/pan射流比例(2/4)。在此基础上,通过在pan纤维中引入亲水型sio2纳米颗粒,并探讨了纳米颗粒含量(0.5wt%、1wt%、2wt%、5wt%)对复合材料透湿性、不同湿度条件下过滤性能的影响规律,结果表明吸湿速率随sio2添加量的增加而增大,同等压阻条件下纤维膜的过滤效率在sio2添加量为2wt%时最高(99.21%)。基于上述研究,制备出具有梯度润湿性的pvdf/(pvdf/pan-sio2-2)/pan-sio2-2纳米纤维膜,其透湿速率达14066gm-2d-1,当亲疏水两侧存在湿度差时,从亲水侧到疏水侧的湿度传递需要47min才能达到平衡,而从疏水侧到亲水侧的湿度传递仅需要30min即可达到平衡。该膜的pm2.5过滤性能的实地监测性能数据显示,其经10h加载测试后能维持99.99%的pm2.5净化效率,具有良好的可清洗性,清洗后压阻可恢复至初始值(86pa)。该材料的成功制备对于开发具有热湿舒适性的空气过滤材料具有重要指导价值。(3)针对当前空气过滤材料功能单一的局限性,设计构筑了一种具有负离子释放功能的低压阻PM_(2.5)高效净化材料。首先研究了聚合物种类(PSU、PVB、PVDF)、纤维直径、纤维膜孔径对材料压阻和负离子释放量的影响,发现纤维膜的压阻会随纤维直径的减小而降低,随孔径的减小而上升且孔径越小上升速率越快,并通过构筑三种不同聚合物纤维膜内部的气流分布模型,验证了纤维直径与空气滑移效应的构效关系。此外,通过研究聚合物分子极性与负离子释放量的内在关联,优选了PVDF作为可释放负离子纤维膜构筑的基体聚合物。在此基础上,进一步研究了PVDF纤维直径与负离子释放性能的构效关系,揭示了聚合物对负离子粉的物理屏蔽效应,确定了最佳的PVDF纤维直径。通过调控PVDF纤维中的负离子粉含量,实现了具有高负离子释放量和最佳过滤性能纳米纤维膜的最优化设计。进一步调控纤维膜克重得到了负离子释放量为2818cc-1,PM_(2.5)净化效率为99.99%,压阻40.5Pa的纳米纤维空气净化材料,其将PM_(2.5)从500μg m-3降至35μg m-3仅需13min,较市售高端空气过滤材料(37min)的净化速率提升了65%,对空气过滤领域功能集成型材料的开发具有重要意义。(4)针对驻极纤维空气过滤材料电荷易衰减的问题,选择了高电阻率的PVB作为纤维构筑基元,引入Si_3N_4纳米颗粒作为驻极体,利用自主合成的FPU作为疏水疏油改性功能物质,制备出一种耐水耐油的长效驻极纳米纤维空气过滤材料。首先研究了Si_3N_4纳米颗粒含量(0wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%)对纤维膜表面电势的影响,结果表明1wt%的Si_3N_4纳米颗粒添加量使纤维膜在不同湿度条件下和在经油性处理后均表现出最好的电荷稳定性。进一步引入FPU,研究了FPU添加量对材料驻极性能和过滤性能的影响,发现2wt%的FPU添加量可使纤维膜在高湿条件下的表面电势恒定值(1740V)较0wt%时提升2.86倍。基于对纤维膜的最优化参数配置,进一步增加纤维膜的克重获得了加载测试5h后,对盐性颗粒过滤效率99.9498%、压阻63.05Pa,对油性颗粒的过滤效率97.2498%、压阻64.05Pa的空气过滤材料,其对PM_(2.5)的净化速率为11min(PM_(2.5)浓度从500μg m-3降至35μg m-3),与市售高端空气过滤材料(37min)相比具有显著优势,开拓了长效驻极纤维空气过滤材料制备的新方向。
[Abstract]:In recent years , the problem of serious smog pollution has brought great harm to human health and social productive life . In the aspect of human health , the fine particulate matter ( PM _ ( 2.5 )) in the smog can penetrate into the lungs and the cardiovascular system to increase the risk of high - efficiency filtration of fine particles . In this paper , the structure and effect relationship of the fiber membrane with high efficiency and low resistance is studied . The results are as follows : ( 1 ) In order to solve the problem that the pressure resistance of the fiber membrane decreases with the diameter and the thickness of the fiber , the structure and effect relationship between the structure and the property of the fiber is studied . ( 2 ) The influence of moisture absorption rate of hydrophilic fibers on the filtration performance of hydrophilic fiber membranes was studied . The results showed that the moisture transfer rate of hydrophilic fiber membranes increased with the increase of the amount of hydrophilic fiber . ( 4 ) The influence of the content of Si _ 3N _ 4 nanoparticles ( 0 wt % , 0.5 wt % , 1 wt % , 2 wt % ) on the surface potential of fibrous membrane was studied .
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ342.8

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