【摘要】：在過去的幾十年中,“霧霾”已經給人們的生活帶來了很多嚴重的困擾。例如在交通方面,霧霾會使可視度降低,引起交通擁擠,航班延誤甚至取消等問題。同時,高濃度的PM2.5意味著污染的空氣會給人們的身體健康帶來極大的危害。有研究表明霧霾還會對社會的經濟發(fā)展造成嚴重影響。美國商會的調查顯示,在中國,空氣質量已經成為高端人才選擇就業(yè)城市的一個重要因素。隨著工業(yè)技術的發(fā)展,工業(yè)生產排放的廢氣中灰塵顆粒物的粒徑越來越小。研究者在歐洲及亞洲的許多城市已經做了大量的實驗并進行了實地考察來探究微小顆粒物的形成原因。與此同時,除塵技術的開發(fā)也著眼于對小粒徑顆粒物的過濾,如PM2.5甚至PM1.0。而現有除塵技術中使用的過濾材料也存在一些應用上的局限性,大部分過濾材料只能對經過冷卻處理后的氣體進行過濾,不能直接對高溫廢氣進行除塵處理。這樣的過濾方式勢必會給工業(yè)生產帶來額外的能源及經濟損耗。因此,對高溫氣體過濾材料的研發(fā)就變得非常重要。目前,多種材料已經被研發(fā)并運用于高溫氣體過濾領域中。例如,聚四氟乙烯(PTFE)纖維過濾材料、聚苯硫醚(PPS)纖維過濾材料、玻璃纖維過濾材料、陶瓷纖維過濾材料以及金屬纖維過濾材料等。然而,這些傳統(tǒng)過濾材料的纖維直徑較大、織物的孔徑也大,對小粒徑微塵顆粒物幾乎沒有過濾效果,因此該類過濾材料已經不能滿足目前的除塵標準。與此同時,上述這些過濾材料在高溫環(huán)境下的使用壽命較短,頻繁更換濾袋會給工業(yè)生產帶來更大經濟負擔。因此,高效、節(jié)能、耐高溫的過濾材料有待進一步開發(fā)。通常來說,當過濾材料的纖維直徑和織物的孔徑減小時,其過濾效率就會增大。由于納米纖維過濾材料具有較小的孔徑、較細的纖維直徑以及較大的比表面積,因此近年來被越來越多地應用到氣體過濾領域中。在過濾過程中,納米纖維具有氣體滑脫效應,即使其結構緊密也不會給過濾材料造成太大的過濾壓降。目前已經研發(fā)出了多種超細纖維過濾材料,如Ultra-Web?、Fibra-Web?、Finetex Mats TM以及AMSOIL Ea。然而,這些材料的機械性能及耐高溫性能都無法滿足高溫工業(yè)廢氣除塵的使用要求,因此都不能在高溫工業(yè)廢氣除塵中進行應用。針對上述問題,本研究采用了聚酰亞胺納米(PI)纖網、碳纖維機織物以及碳納米管材料來制備高溫氣體過濾材料并對其過濾性能進行了研究。研究內容主要包括以下4大部分:(1)為了制備過濾性能優(yōu)越的高溫氣體過濾材料,本文首先制備了聚酰亞胺納米纖網/機織物多尺度纖維復合過濾材料來對微小顆粒物進行過濾。研究中選用聚酰亞胺納米纖網作為過濾層材料,選用碳纖維機織物、玻璃纖維機織物以及芳綸纖維機織物作為力學增強層材料。力學增強層材料主要用來彌補納米纖網力學性能不足的缺陷。研究結果表明,碳纖維機織物是三種力學增強層材料中力學性能最好的一種材料。并且聚酰亞胺納米纖網/碳纖維機織物復合過濾材料在2m/min的測試風速下經過連續(xù)17分鐘的過濾處理后,過濾效率可達99.99%,而過濾壓降僅為230 Pa。這種復合濾料突出的過濾性能不僅僅是因為聚酰亞胺納米纖網和碳纖維機織物的熱穩(wěn)定性能好,更加重要的是,在整個過濾過程中濾料具有很好的結構穩(wěn)定性。(2)在第一部分研究的基礎上,本課題接著對綜合性能較好的聚酰亞胺納米纖網/碳纖維機織物復合濾料進行了深入研究。通過控制聚酰亞胺納米纖網的平方米克重制備出了一系列聚酰亞胺納米纖網/碳纖維機織物復合過濾材料。研究中選用一種商業(yè)用P84/玻璃纖維復合非織造濾料作為對比樣。實驗結果表明,本研究制備的所有復合過濾材料的過濾效率均比對比樣的過濾效率高。此外,復合過濾材料的過濾性能先隨著聚酰亞胺(PI)納米纖網面密度的增大而增大,當達到一個臨界面密度值時(11.64 g/m2),其過濾效率隨著PI納米纖網面密度的增大而趨于穩(wěn)定。為了觀察這種復合濾料的可重復使用性能,研究中還使用了一個自制的簡易反向氣流清灰裝置對復合濾料進行清灰處理,清灰氣壓為500 k Pa。經過6次循環(huán)清灰處理后,復合過濾材料的過濾效率仍然可以保持在99.99%,而過濾壓降增大到410Pa。熱穩(wěn)定性測試結果表明,本研究制備的復合濾料在260oC時可以保持較好的過濾性能和機械性能。SEM測試結果顯示,PI納米纖網在過濾過程中起主要過濾作用。力學增強層碳纖維機織物由于孔徑較大,在過濾過程中不會造成整個復合濾料過濾壓降的明顯增大,并且這種大孔徑結構有利于清灰過程中灰塵顆粒物的排出。這種突出的結構特性以及良好的過濾性能使聚酰亞胺納米纖網/碳纖維機織物復合過濾材料在高溫氣體過濾領域具有較好的應用前景。(3)由前兩部分的研究可知,含納米纖網的復合濾料具有較高的過濾效率。然而由于其結構相對緊密,納米纖網的引入勢必增大了整個復合濾料的過濾壓降。因此,在第三部分的研究中,不再使用納米纖網,而是直接使用碳纖維機織物作為過濾材料,通過給其加載高壓,將靜電除塵原理與袋式除塵技術相結合,制備出了加載電壓碳纖維機織物過濾材料。為了研究分析不同測試條件對加壓碳纖維機織物過濾性能的影響,本課題對以下因素進行了表征和分析:碳纖維機織物的面密度、氣體流速、碳纖維機織物的層數以及相對濕度。研究結果表明,加載在碳纖維機織物上的起暈電壓應當大于20 k V,并且過濾效率隨著加載電壓的增大而增大。當加載電壓為40 k V時,其對PM1.0的過濾效率可達90%,而過濾壓降僅為6 Pa。與聚酰亞胺納米纖網/碳纖維機織物復合濾料的過濾壓降(251 Pa)相比,加載電壓碳纖維機織物過濾材料的過濾壓降大幅度降低。當過濾風速從2 m/min增大到4 m/min時,加載30 k V和40 k V電壓的碳纖維機織物的過濾效率降低了約13%,然而當過濾風速進一步增大,從4 m/min增大到8 m/min時,過濾效率基本保持不變。實驗結果還表明,增加的碳纖維機織物層數對過濾效率的影響并不大。然而過濾效率卻隨著相對濕度的增大而大幅度升高,當相對濕度由40%升高到95%時,過濾效率升高到99.8%,而起暈電壓降低到了10 k V。此外,本研究制備的加壓碳纖維機織物過濾材料還具有很好的抗菌性能。(4)經過前面三部分的研究,本課題最后一章旨在研究制備一種過濾效率高、過濾壓降低而力學性能強的純納米纖維過濾材料。研究中將連續(xù)的碳納米管夾在了上下兩層聚酰亞胺納米纖網中間,制備出了碳納米管/聚酰亞胺納米纖網復合過濾材料來進行高溫氣體過濾。此部分研究選用直徑為260 nm的聚酰亞胺納米纖網作為力學增強層材料,直徑為600 nm的靜電紡聚醚酰亞胺納米纖維作為粘結層材料。碳納米管薄膜與聚酰亞胺納米纖網通過聚醚酰亞胺納米纖維進行粘結,形成結構穩(wěn)定的納米結構復合氣體過濾材料。其中,碳納米管的平均直徑為30 nm。研究中制備了兩種不同結構的納米復合濾料。在其中一種結構中,碳納米管薄膜間層層緊挨;而另一種結構中,碳納米管薄膜之間紡制了聚醚酰亞胺納米纖網。過濾性能測試結果顯示,納米結構復合濾料的過濾效率隨著碳納米管層數的增加而增大,其中4層碳納米管復合濾料對粒徑為0.3 um微塵顆粒物的過濾效率高達99.99%,而過濾壓降僅為120 Pa,與聚酰亞胺納米纖網/碳纖維機織物復合濾料的過濾壓降相比(251 Pa),此部分制備的納米結構復合過濾材料的過濾壓降大幅度降低,而過濾效率卻依舊很高。機械性能測試結果表明碳納米管薄膜的加入增強了整個復合濾料的力學性能,其中4層碳納米管復合濾料的拉伸強度達到了9 MPa,屬于納米纖維材料中拉伸強度較大的薄膜。此部分研究還測試分析了復合濾料對高溫氣體的過濾性能。結果表明,本研究制備的納米復合濾料可對200oC以下的氣體進行過濾。綜上所述,本課題研究了三種高溫氣體過濾體系。首先制備了靜電紡納米纖維與機織物(碳纖維機織物、玻璃纖維機織物及芳綸纖維機織物)的復合耐高溫氣體過濾材料,并對其結構特性、拉伸性能、彎曲性能以及過濾性能進行了研究。然后,對綜合性能較好的聚酰亞胺納米纖網/碳纖維機織物復合濾料進行了多方面、多角度深入研究。接著,不再使用聚酰亞胺納米纖網,而在碳纖維機織物上直接加載高電壓,制備出了加載電壓碳纖維機織物過濾材料。研究了加載電壓大小、氣體流速、碳纖維機織物層數、以及相對濕度對此結構濾料過濾性能的影響。最后,研究制備了過濾效率高而過濾壓降低的靜電紡納米纖維與碳納米管的納米結構復合高溫氣體過濾材料。通過改變碳納米管在復合濾料中的嵌入結構,制備了兩種不同結構的濾料,并對納米復合濾料的結構特性、拉伸性能以及熱處理前后的過濾性能進行了研究分析。研究結果表明,這三種過濾體系都具有突出的過濾效率以及良好的耐高溫特性,可作為高溫氣體過濾材料使用。
[Abstract]:......
【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】：TS106.62
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本文編號：
2407336
