具有梯度结构的PS/PU驻极纳米纤维材料的开发及空气过滤应用

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近年来,随着我国工业化、城镇化的快速发展,导致大气污染现象日益严重。空气过滤通过将大气污染重的PM2.5等颗粒与空气分离而成为目前最重要、最有效的防护手段之一。由于PM2.5粒径细小,对滤料的精度要求较高。纳米纤维滤料具有直径小、比表面积大、孔隙率高等特点,在空气过滤材料领域具有天然的优势。然而,纳米纤维之间通常堆积紧密,导致纤维膜的压降很高,使纤维膜的过滤效率和性能下降。本文通过引入复合技术和驻极粒子,研制了一种具有驻极体效应的高效低阻复合纳米纤维膜。(1)制备了过滤性能好、拉伸强度高、储电性能好、电荷稳定的PU/Si3N4复合纳米纤维膜。通过研究溶液浓度对纳米纤维形貌及力学性能影响规律,确定了最佳的PU浓度为12%。随后,本文在12%的PU溶液中分别添加浓度为3%的二氧化硅(Si O2)、二氧化钛(Ti O2)、氮化硅(Si3N4)、勃姆石(Boehmite)四种驻极粒子。系统地研究了驻极粒子的添加对复合纳米纤维形貌结构、疏水性、表面电势及过滤效率的影响,最终确定了Si3N4为最佳的驻极粒子。最后,我们考察了Si3N4的浓度对复合纳米纤维膜形貌结构、力学性能、孔径结构、储电性能、过滤性能的影响。结果表明:当Si3N4浓度为3%时,其过滤效果最好为79.36%(当空气流速为32L/min时),平均孔径为2.1μm,在温度为90℃时电流峰值达到最大为2.63pA。(2)制备了PU/Si3N4超细纳米纤维。在以上研究的基础上,为了进一步提高所纺纳米纤维膜的过滤效率,本文通过在纺丝液中添加无机盐氯化锂(LiCl),并考察了LiCl的浓度,对纳米纤维膜的形貌结构、力学性能、孔径结构、表面电势以及过滤性能的影响。结果表明,当氯化锂浓度为0.3%时,所纺纤维形貌规整,直径最细可达62nm,拉伸断裂强度轻微降低至11.7MPa,纤维膜的平均孔径最小达到1.39μm,孔隙率为85%,此时过滤效果达到最好(滤效为97.94%,滤阻为40.2Pa,品质因子为0.097Pa-1)。此外,经过七天电荷衰减测试后发现PU/Si3N4/LiCl复合纳米纤维膜表面电势为1880V,电荷衰减率仅为34%,远低于PU/Si3N4-3复合纳米纤维膜表面电荷衰减率(56%)。(3)为进一步提高过滤效率,制备具有高效低阻的PS/PU驻极纳米纤维多尺度复合膜。先调控PS纺丝液浓度为20%,所纺纳米纤维膜直径分布均匀,平均直径约为1.34μm,且无串珠结构出现。再通过连续静电纺丝的方式,以PS纳米纤维膜为基底依次制备PU/Si3N4/Li Cl、PU/Si3N4、PS纤维膜最终得到PS/PU驻极纳米纤维多尺度复合膜。针对复合膜整体形貌结构、孔径结构、储电性能以及表面电势做了重点研究。最后,通过流程图揭示出PS/PU驻极纳米纤维多尺度复合膜的过滤过程。结果表明,该复合膜孔隙率高达97%,且平均孔径为1.87μm。通过热释电对复合膜进行测试,发现温度在92℃有着最大的电流峰,表明其具有优异的储电性能。当风速从22L/min增加到92L/min时,测试复合膜的过滤效率,可以得到过滤效率均在99.99%以上。此外,当风速为92L/min时,其QF高达0.089Pa-1
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