聚丙烯腈基空气净化复合纳米纤维滤料的制备与应用研究

摘要

随着人们对空气质量关注度的日益提升;空气中固体颗粒物的过滤及相应滤料的研究也日渐成熟。采用静电纺丝方式制备的纳米纤维膜以其高比表面积和高截留率等优势被广泛研究并应用于空气过滤材料。随着研究的进一步深入;聚合物静电纺丝的实验条件等影响因素已基本成熟。聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、聚醚砜（PES）、聚酰胺 66（PA-66）均是静电纺丝中常用的聚合物;其中 PA-66 通过控制纺丝条件可产生直径小于100 nm的蛛丝状纤维。本文旨在通过纤维交联复合纺丝和聚合物共溶复合纺丝两种方式;分别制备了抗分层的PVA/PAN纳米纤维滤料和疏水抗分层的PA-66/PAN/PES纳米纤维滤料。 本文首先以PAN为基础材料制备三维纳米纤维过滤介质。PVA和PAN在整体纤维滤料中分别作为增强架构纤维和整体填充纤维。为了提高膜的过滤效率和机械性能;采用一定浓度的戊二醛（GA）、丙酮和乙酸的混合溶液对膜进行交联处理;通过降低PVA纳米纤维中的羟基含量使纤维滤料的疏水性增强;进而提高膜的稳定性;防止纤维膜产生分层现象;同时增加膜内纤维之间的致密性。采用浸有PVA稀溶液的不锈钢网（SSM）作为接收基底进行纤维沉积;有利于纤维应用在高压等高强度环境中作业。通过使用拉伸试验机测定了纤维滤料的力学性能;结果表明最大应变和韧性分别达到144.58%和5.33 J/g。此外将该纤维膜作为空气净化材料用于过滤空气中的颗粒物;对过滤前后颗粒密度进行测定;讨论了纤维对颗粒物的拦截机理。在相同测试条件下;对比商业口罩材料的过滤效率表明PVA/PAN纤维滤料具有较低压降（418±23 Pa）且对空气中颗粒物具有优异的截留效率;对尺寸为0.3-5μm的颗粒的过滤效率为99%。 另外;本文对聚合物共溶和层层复合纤维膜结构在滤料中的应用进行探究。采用PA-66制备了树状纳米纤维;并利用疏水性较强的PES为表层纤维膜;从而制备了简易有效的 PA-66/PAN/PES复合纳米纤维过滤材料。材料中间层采用由N;N?二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂的PAN/PES 共混聚合物溶液电纺而成。接收纳米纤维滤料的基底为经水喷雾处理的SSM。通过扫描电子显微镜表征和比表面积测试结果表明;在相同纺丝条件下PES 用量的增加有利于减小纤维直径;增大膜的孔隙率。同时;通过拉伸实验测定了未带有SSM的膜的机械性能(5.857 MPa)。利用表层PES纤维疏水性高的优势使得PA-66/PAN/PES过滤膜表面具有接触角约为130.58°的良好疏水性。在样品厚度尽可能相等的情况下;通过对实际空气环境中0.3-5μm的颗粒物进行截留测试发现;PAN/PES?3的过滤效率大于99%。此外;通过机械振动和空气反吹方式对过滤膜的再生性能进行了探究。

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