本文選題：靜電紡絲 + 納米纖維　； 參考：《東華大學》2017年博士論文

【摘要】：近年來,嚴重的霧霾污染問題對人體健康和社會生產(chǎn)生活帶來了巨大危害。在人體健康方面,霧霾中的細顆粒物(PM_(2.5))可以深入肺部和心血管系統(tǒng),增加患腦卒中、心臟病、肺癌以及哮喘等慢性呼吸道疾病的風險,導致全球每年300多萬人過早死亡;此外,當空氣中PM_(2.5)水平高于70μg m-3時,每增加10μg m-3,膜性腎病的發(fā)病風險增加14%。在生產(chǎn)生活方面,高濃度霧霾天氣中懸浮灰塵會使電力系統(tǒng)絕緣體表面污穢增加,導致漏電、斷裂等事故發(fā)生,造成電力系統(tǒng)災難性的破壞;此外,霧霾中的微小顆粒物極易滲入到精密儀器的加工和使用過程中,妨礙精密儀器和設備的高效運轉(zhuǎn)。因此,如何制備高效的空氣過濾材料以保障人體健康、確保工業(yè)生產(chǎn)順利進行,成為當前關(guān)乎國際民生的重大課題。現(xiàn)有的主流空氣過濾材料主要包括:普通非織造纖維材料、熔噴駐極纖維材料和超細玻璃纖維材料。普通非織造纖維材料的纖維直徑多為微米數(shù)量級,對氣流具有較大的阻滯作用,且纖維聚集而成的孔徑較大,難以實現(xiàn)對微細顆粒物的有效過濾;熔噴駐極纖維材料雖可在不增加壓阻的情況下依靠靜電吸附作用實現(xiàn)對微細顆粒物的高效過濾,但其駐極電荷對濕度具有高度的敏感性,且霧霾環(huán)境中的油性物質(zhì)也會促使電荷耗散進而導致過濾效率驟降,在長期使用中其安全性難以保障;超細玻璃纖維材料以其纖維直徑細、孔徑小的結(jié)構(gòu)特征,可實現(xiàn)對微細顆粒物的高精度物理攔截,具有較高的過濾效率,但其緊密的堆積結(jié)構(gòu)帶來空氣阻力大的缺點,且玻璃纖維自身的脆性及其致癌性仍是限制其發(fā)展的重要因素。利用靜電紡絲方法制備的納米纖維空氣過濾材料具有纖維直徑小、纖維膜孔徑小、孔隙率高的結(jié)構(gòu)特點,可在有效攔截微細顆粒物的同時為氣流提供豐富的輸運孔道,可同時賦予材料高過濾效率、低空氣阻力的特性,且靜電紡納米纖維易與其他功能性物質(zhì)相結(jié)合實現(xiàn)材料的功能化應用。因此,靜電紡納米纖維材料在空氣過濾領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。本文在概述了靜電紡納米纖維空氣過濾材料研究現(xiàn)狀的基礎上,深入分析了現(xiàn)有靜電紡納米纖維空氣過濾材料存在的問題,指出了問題解決的關(guān)鍵是明晰靜電紡纖維材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控準則、闡明材料結(jié)構(gòu)與性能間的構(gòu)效關(guān)系。為此,本論文進行了高效低阻納米纖維空氣過濾材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控及構(gòu)效關(guān)系研究。首先以纖維直徑和聚集體孔徑為主要出發(fā)點,構(gòu)筑了具有空氣滑移效應的納米纖維膜,實現(xiàn)了低壓阻材料的可控制備;在此基礎上,分別掌握了具有熱濕舒適性、負離子釋放功能的納米纖維空氣過濾材料的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)調(diào)控方法。通過纖維材料結(jié)構(gòu)和表界面性質(zhì)的協(xié)同調(diào)控,制備出具有長效駐極穩(wěn)定性的空氣過濾材料。所取得的主要研究成果如下:(1)針對當前空氣過濾材料壓阻難以進一步降低的問題,從單纖維附近的氣流分布狀態(tài)出發(fā),研究了單纖維直徑對阻力壓降的影響規(guī)律,首先構(gòu)筑了一系列平均直徑不同、過濾效率同等(約45%)的高孔隙率薄層納米纖維膜,對其壓阻進行了測試,發(fā)現(xiàn)當纖維直徑由168nm降至71nm時,其壓阻由15pa降至9pa,當纖維直徑由71nm進一步降至60nm時,材料的壓阻上升了10%,當纖維直徑由60nm進一步降至53nm時,材料的壓阻上升了20%。通過構(gòu)建單纖維附近的氣流場分布模型,驗證了單纖維產(chǎn)生的壓阻隨纖維直徑的降低而下降的結(jié)論,并進一步通過構(gòu)建纖維聚集體內(nèi)部的氣流場分布模型,得出納米纖維膜的空氣滑移效應還受纖維搭接形成的孔結(jié)構(gòu)影響。在此基礎上,首次在拖曳力系數(shù)公式中引入了平衡因子τ=df/d2,揭示了纖維堆積結(jié)構(gòu)與滑移效應間的構(gòu)效關(guān)系,并通過對比四個過濾水平(44~45%、66~68%、86~88%、95~96%)下纖維膜壓阻隨直徑及厚度的變化規(guī)律,得到了使滑移效應存在時纖維膜的臨界孔徑(3.5μm)。以此為理論指導,制備出pm2.5過濾效率為99.09%時,壓阻僅為29.5pa的空氣過濾材料,其將pm2.5從500μgm-3降至35μgm-3僅需15min,遠優(yōu)于市售高端空氣過濾材料(37min),為高效低阻空氣過濾材料的制備提供了理論指導。(2)針對現(xiàn)有空氣過濾材料在高濕條件下熱濕舒適性不足的問題,利用超親水纖維來增強高濕條件下水分子的吸附-解吸過程,從而使材料具備濕汽傳導功能,利用疏水聚合物來避免材料中產(chǎn)生毛細水,從而保持過濾時壓阻的恒定。研究了pvdf/pan的射流比例(6/0、4/2、2/4、0/6)對材料在濕汽環(huán)境下過濾性能的影響,結(jié)果表明,在60min內(nèi)隨著親水纖維組分的增加材料的過濾效率和壓阻均呈上升趨勢,進一步對親水纖維間水膜的形成機制進行了研究。此外,通過研究不同射流比例下材料吸收水和擴散水的變化,得到了親疏水復合納米纖維膜的透濕機制以及過濾性能與透濕性能間的關(guān)系,得到了最佳pvdf/pan射流比例(2/4)。在此基礎上,通過在pan纖維中引入親水型sio2納米顆粒,并探討了納米顆粒含量(0.5wt%、1wt%、2wt%、5wt%)對復合材料透濕性、不同濕度條件下過濾性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明吸濕速率隨sio2添加量的增加而增大,同等壓阻條件下纖維膜的過濾效率在sio2添加量為2wt%時最高(99.21%)�；谏鲜鲅芯�,制備出具有梯度潤濕性的pvdf/(pvdf/pan-sio2-2)/pan-sio2-2納米纖維膜,其透濕速率達14066gm-2d-1,當親疏水兩側(cè)存在濕度差時,從親水側(cè)到疏水側(cè)的濕度傳遞需要47min才能達到平衡,而從疏水側(cè)到親水側(cè)的濕度傳遞僅需要30min即可達到平衡。該膜的pm2.5過濾性能的實地監(jiān)測性能數(shù)據(jù)顯示,其經(jīng)10h加載測試后能維持99.99%的pm2.5凈化效率,具有良好的可清洗性,清洗后壓阻可恢復至初始值(86pa)。該材料的成功制備對于開發(fā)具有熱濕舒適性的空氣過濾材料具有重要指導價值。(3)針對當前空氣過濾材料功能單一的局限性,設計構(gòu)筑了一種具有負離子釋放功能的低壓阻PM_(2.5)高效凈化材料。首先研究了聚合物種類(PSU、PVB、PVDF)、纖維直徑、纖維膜孔徑對材料壓阻和負離子釋放量的影響,發(fā)現(xiàn)纖維膜的壓阻會隨纖維直徑的減小而降低,隨孔徑的減小而上升且孔徑越小上升速率越快,并通過構(gòu)筑三種不同聚合物纖維膜內(nèi)部的氣流分布模型,驗證了纖維直徑與空氣滑移效應的構(gòu)效關(guān)系。此外,通過研究聚合物分子極性與負離子釋放量的內(nèi)在關(guān)聯(lián),優(yōu)選了PVDF作為可釋放負離子纖維膜構(gòu)筑的基體聚合物。在此基礎上,進一步研究了PVDF纖維直徑與負離子釋放性能的構(gòu)效關(guān)系,揭示了聚合物對負離子粉的物理屏蔽效應,確定了最佳的PVDF纖維直徑。通過調(diào)控PVDF纖維中的負離子粉含量,實現(xiàn)了具有高負離子釋放量和最佳過濾性能納米纖維膜的最優(yōu)化設計。進一步調(diào)控纖維膜克重得到了負離子釋放量為2818cc-1,PM_(2.5)凈化效率為99.99%,壓阻40.5Pa的納米纖維空氣凈化材料,其將PM_(2.5)從500μg m-3降至35μg m-3僅需13min,較市售高端空氣過濾材料(37min)的凈化速率提升了65%,對空氣過濾領(lǐng)域功能集成型材料的開發(fā)具有重要意義。(4)針對駐極纖維空氣過濾材料電荷易衰減的問題,選擇了高電阻率的PVB作為纖維構(gòu)筑基元,引入Si_3N_4納米顆粒作為駐極體,利用自主合成的FPU作為疏水疏油改性功能物質(zhì),制備出一種耐水耐油的長效駐極納米纖維空氣過濾材料。首先研究了Si_3N_4納米顆粒含量(0wt%、0.5wt%、1wt%、2wt%)對纖維膜表面電勢的影響,結(jié)果表明1wt%的Si_3N_4納米顆粒添加量使纖維膜在不同濕度條件下和在經(jīng)油性處理后均表現(xiàn)出最好的電荷穩(wěn)定性。進一步引入FPU,研究了FPU添加量對材料駐極性能和過濾性能的影響,發(fā)現(xiàn)2wt%的FPU添加量可使纖維膜在高濕條件下的表面電勢恒定值(1740V)較0wt%時提升2.86倍。基于對纖維膜的最優(yōu)化參數(shù)配置,進一步增加纖維膜的克重獲得了加載測試5h后,對鹽性顆粒過濾效率99.9498%、壓阻63.05Pa,對油性顆粒的過濾效率97.2498%、壓阻64.05Pa的空氣過濾材料,其對PM_(2.5)的凈化速率為11min(PM_(2.5)濃度從500μg m-3降至35μg m-3),與市售高端空氣過濾材料(37min)相比具有顯著優(yōu)勢,開拓了長效駐極纖維空氣過濾材料制備的新方向。
[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 .
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ342.8

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3 劉來紅,朱玲英;高效空氣過濾材料的發(fā)展與特點[J];產(chǎn)業(yè)用紡織品;2005年04期

4 陳U，

本文編號：2101945