高效低阻PAN靜電紡微納米濾膜制備與性能研究.pdf

1、近年來，空氣污染和水污染問題嚴重，蔓延世界各大城市，如PM2.5（俗稱霧霾）和石油泄漏。PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質，對人體健康和環(huán)境質量影響大。含油污水來源十分廣泛，如石油化工、開采、機械加工、皮革、紡織、食品等行業(yè)，且排放量大，若直接排入水體，對自然生態(tài)平衡危害極大。傳統(tǒng)空氣過濾技術存在過濾效率低、壽命低等難題。靜電紡納米纖維膜比表面積大、孔隙率高、制備過程簡單等優(yōu)點，紡制一定厚度的均勻納米膜因其高濾效的特點迅速引起人

2、們的關注并很快應用到過濾方面。但目前為止，納米膜的過濾阻力大、產(chǎn)量低、性能優(yōu)勢不顯著、理論研究少等問題，極大的限制了其在過濾方面的應用。
　　本文主要針對以上問題展開研究。首先研究采用單針頭紡絲裝置和結構接收模板制備高效低阻空氣過濾材料的方法。PAN以其易紡、纖維細度均勻和結構均勻蓬松等優(yōu)點被選為紡絲材料。分別選擇凸起泡沫結構、紙面壓花結構、鋁箔作為模板，研究了模板結構、紡絲時間和優(yōu)化結構對納米膜過濾性能的影響。研究結果表明：采用

3、凸起泡沫作為接收裝置，紡絲時間為8~10 h時，納米膜堆積密度低，質量因子高，納米膜的平均孔徑約為3.5μm，因此PAN納米膜過濾阻力從151.7 mmH2O下降至28.7 mmH2O，過濾效率從97.32％下降至95.55%；在凸起泡沫間隙加入細紗線時可以有效提高PAN納米纖維膜的均勻性，納米膜的過濾效率提高至96.33%，過濾阻力從287 Pa下降至247 Pa。
　　其次，本文研究了納米纖維空氣過濾膜的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。采用本課題

4、組研發(fā)的三維自由液面靜電紡絲裝置，產(chǎn)量為20~25 g/h，選用PAN作為紡絲材料，分別研究了距離、電壓、溶液量、接收滾筒的轉速、橫移速度、溫濕度、孔徑等參數(shù)對納米膜過濾性能的影響。將制備的高效低阻納米膜制備成口罩及過濾膜產(chǎn)品，并研究產(chǎn)品過濾性能、透氣透濕、強力、直徑和孔徑分布等性能。研究結果表明：溶液量約為50~60 ml、滾筒轉速約為30~40 r/s，橫移速度為800 cm/Min，電壓為60~68 KV，距離為15 cm，平均孔

5、徑為2~3μm時，納米膜的過濾效率可達95~99.56%，過濾阻力為100~250 Pa，透氣率約為300 L·m-2·s-1，透濕性為9.6~13 m2·Pa·w-1，強力在50 N左右，直徑為50~300 nm，孔徑為0~3μm，滿足美國標準（NOISH）、歐盟標準（EN149），中國標準（GB2626-2006）。
　　接著，本文對高效低阻靜電紡PAN納米纖維膜氣體過濾機理進行分析。分別研究了溶液性質、納米纖維取向度和NaC

6、l氣溶膠流速對納米纖維膜過濾性能的影響；分析納米纖維膜過濾機理，靜電效應、慣性沉積和重力沉積、擴散效應和攔截效應；建立非穩(wěn)態(tài)過濾效率數(shù)學模型和過濾阻力數(shù)學模型，并與試驗擬合結果比較分析。結果表明：PAN溶液黏度為1200 CP時，是紡絲溶液的較佳使用狀態(tài)；轉速對納米膜的過濾性能影響不大，但影響產(chǎn)品性質；隨著NaCl氣溶膠流速的增加，納米纖維膜的過濾效率逐漸減小，過濾阻力逐漸增加。慣性沉積、擴散效應和攔截效應是納米纖維膜的高過濾效率的主要

7、過濾機理。靜電紡納米纖維膜過濾效率擬合公式為：(_此處公式省略)，過濾阻力擬合公式為：（此處公式省略）。
　　最后，為拓展納米膜應用領域，本文研究了高強力納米纖維膜制備工藝和應用。通過對比幾種常見水處理材料，找出納米材料的優(yōu)劣勢，然后分別采用改變納米膜厚度、加鹽、改變接收滾筒轉速和熱軋與平板熱粘合方式來提高納米膜強力，最后將制備得到的高強力納米膜應用于含油污水過濾領域。
　　研究結果表明：熱軋與平板熱黏合方式制備的靜電紡納米