含梯度结构高效蓬松复合空气滤材的制备及其性能研究

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工业快速发展伴随着PM2.5空气污染日益严重,作为空气过滤的基本原材料——纤维材料的研究成为了该方向研究的热点。工业中高效过滤材料主要集中于驻极熔喷聚丙烯(PP)无纺布和纳米纤维膜。然而,驻极体过滤材料纤维表面的电荷会随着时间、环境而逐渐衰减或不稳定,纳米纤维又导致滤材过滤效率(Filtration Efficiency,FE)与阻力(Pressure Drop,ΔP)的平衡问题,因此,高效过滤材料的研究从静电吸附转向了基于纤维结构设计的研究。静电纺丝纳米纤维由于其大的比表面积、高孔隙率、结构设计灵活等优势而备受关注。本研究分别以聚乳酸(PLA)和聚偏氟乙烯(PVDF)体系采用静电纺丝技术制备纳米纤维功能过滤层,并从纤维结构上探究再生三维卷曲微米聚酯(R-PET)纤维网支撑层对过滤性能的影响规律,设计并获得了一种以高效低阻为特征的简单、新颖,具有微/纳米多级梯度结构的蓬松复合过滤材料静电纺纤维毡,并系统研究了材料选择、基材纤维卷曲结构、复合结构等对空气过滤性能的影响规律。分别研究纳米PLA(nano-PLA)纤维膜克重,R-PET纤维的弯曲结构对R-PET/nano-PLA复合纤维毡过滤性能和容尘量的影响,结果表明:含有Z形卷曲结构的R/Z-PET/nano-PLA滤材过滤性能最好,拥有99.992%的FE,201.11Pa的ΔP和0.047Pa-1的品质因子(Quality Factor,QF)。R/Z-PET/nano-PLA毡的ΔP增长速率最慢。当Z形纤维的定位角沿气流方向45°时,折叠角为90°的R/Z-PET纤维有利于降低高FE时滤材的ΔP。以R/Z-PET纤维网为基材,首次利用静电纺丝技术制备了包覆2-甲基咪唑锌盐(ZIF-8)纳米颗粒的超细(Ultrafine,UF)ZIF-8/PVDF复合纤维过滤材料(R/Z-PET/UF-ZIF-8/PVDF),系统研究了纺丝液浓度对PVDF纤维形貌的影响、UF-ZIF-8/PVDF复合膜的表面润湿性、结构和不同UF-ZIF-8/PVDF纤维膜克重及R/Z-PET/UF-ZIF-8/PVDF膜层数的R/Z-PET/UF-ZIF-8/PVDF复合毡的过滤性能。研究发现:ZIF-8纳米颗粒可明显降低UF-ZIF-8/PVDF复合纤维的直径(dmin=83±11nm)。在最佳纺丝条件下,随着UF-ZIF-8/PVDF纤维膜克重或R/Z-PET/UF-ZIF-8/PVDF膜层数的增加,纤维毡的FE与ΔP均增大。通过优化层数,当复合膜层数为2层时,复合纤维毡的最佳过滤性能为FE为99.510%,ΔP为73.8Pa。具有微米尺度,优化简单弯曲结构的PET纤维与纳米纤维功能过滤层的结合,可为大规模生产无需驻极后处理的高效空气过滤材料提供新的有效途径。
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