多级结构微纳米纤维的结构调控及其空气过滤性能

摘要

近年来，全球工业化和城镇化的快速推进，带来了日益严重的空气污染问题，尤其是以 PM2.5为主要特征的微细颗粒污染问题已成为人们关注的焦点。空气中高浓度的 PM2.5不仅会引发雾霾天气，还严重威胁着人们的生命健康。PM2.5粒径小，易携带有毒有害物质，且能长时间悬浮在大气中，一旦被呼入人体后能直接或间接进入支气管、肺泡和血液中，引发哮喘、支气管炎、心血管病、充血性心力衰竭、尘肺病和肺癌等疾病。因此，开发能有效过滤空气中微细颗粒物的过滤材料是改善环境、提高生活质量和保护人体健康的重大课题。然而，传统的过滤材料对微细纳米颗粒物仍存在着过滤精度低、难以实现高效低阻等问题。静电纺纳米纤维材料具有纤维直径小、比表面积大、孔径小、孔隙率高及纤维膜内部孔洞联通性好等优点，大幅提高了纤维材料的空气过滤性能。多级结构的微纳米纤维除具有一般静电纺纤维的优点外，还具有可控的表面形态和丰富的孔隙结构，更高的比表面积和孔体积，即提高了纤维对微细颗粒物的捕集能力，同时降低了阻力压降。因此，多级结构微纳米纤维在高效低阻型空气过滤材料领域具有非常广阔的应用前景。
　　本课题针对目前静电纺纤维空气过滤材料存在的不足和缺陷，从研究纤维过滤材料本体结构与其过滤性能的关系出发，设计和调控了多种具有微纳米多级结构的有机、有机/无机混杂、无机静电纺纤维材料；揭示了影响其过滤性能的多种因素，并研究开发出具有高过滤效率、低阻力压降的空气过滤材料，以期在空气污染治理尤其是微细颗粒物的过滤中发挥一定的作用。同时，对多级结构微纳米纤维过滤材料的过滤机理进行探索，为其实际应用提供理论支撑。另外，本课题还利用CREO、ANSYS Fluent等软件和分析计算手段建立了多级结构微纳米纤维的三维模型，并模拟和分析其过滤微细颗粒物的性能和过程，为多级结构微纳米纤维空气过滤材料的数值化模拟提供理论基础。取得的研究成果主要包括以下几个方面：
　　（1）制备了多孔串珠结构的聚乳酸（PLA）纳米纤维，并通过改变纺丝溶液质量分数、混合溶剂质量配比和环境相对湿度，实现了对纤维的形貌和表面结构的调控。研究发现纤维的串珠结构主要是由溶液粘度和电导率决定，珠状物上的多级孔结构主要由溶液射流高速运动过程中发生的相分离和呼吸图（breath figure）决定。随着溶液质量分数的增大，纤维膜中珠状物的覆盖密度逐渐减小，珠状物表面的纳米孔洞逐渐增多，连接珠状物的纤维直径逐渐增大；随着混合溶剂中高挥发性溶剂含量或者环境相对湿度的增加，珠状物的覆盖密度逐渐增大，且珠状物上的纳米孔洞也逐渐增多。研究了纤维形态结构的变化对纤维膜比表面积、通孔孔径及分布和空气过滤性能的影响。纤维膜中珠状物的适量增加能有效调节纤维的堆积方式，增加纤维之间距离，进而改善纤维膜的孔隙结构，降低过滤中的阻力压降；珠状物上纳米孔洞的增加，增大了纤维膜的比表面积，提高了纤维膜对微细颗粒物的过滤效率。
　　（2）制备了具有多孔结构的 PLA纤维（PLA-P），研究了溶液质量分数和环境相对湿度对其微纳米结构和性能的影响。研究发现，纤维的直径、纤维表面纳米孔洞的尺寸及覆盖密度均随溶液质量分数或者环境相对湿度的增加而增大；纤维上纳米孔洞的增加显著提高了纤维膜的比表面积、孔体积和空气过滤性能。通过调节射流配置，制备得到不同质量比的PLA-P与PLA纳米纤维（PLA-N）交错式复合的纤维膜，考察了复合膜形貌的变化对其通孔孔径特征及过滤性能的影响，并分析了氯化钠（NaCl）气溶胶颗粒在纤维膜上的沉积方式。结果表明，当PLA-P与PLA-N的质量比为6/1时，复合膜具有最优的过滤性能，并呈现出深层过滤机制，即提高了过滤效率同时利于气流通过；复合膜中过多的PLA-N会导致NaCl颗粒物密集堆积在纤维膜的表层，阻塞了气流，进而增大了阻力压降。
　　（3）通过在纺丝溶液中添加无机纳米颗粒，制备出具有多级结构的PLA/二氧化钛（TiO2）混杂纤维膜，研究了溶液中 TiO2纳米颗粒含量和环境相对湿度对纤维表面纳米孔洞及纳米突起等多级结构的影响。结果表明，纤维表面的纳米突起会随前驱体溶液中TiO2颗粒含量的增加逐渐增多，但当TiO2添加量过多时纤维上会有微米级的团聚物形成；随着环境相对湿度的增加，纤维表面纳米孔洞逐渐增多，而 TiO2颗粒被更多的包埋于纤维的内部，表面分布减少。纤维上纳米突起和纳米孔洞的增加能显著提高纤维膜的比表面积和孔体积，并改善纤维膜的通孔结构。考察了纤维微纳米结构的变化及 TiO2纳米颗粒的分布对纤维膜空气过滤性能、光催化性能和抗菌性能的影响。研究发现当TiO2添加量为1.75 wt％，环境相对湿度为45%时，纤维膜具有最佳的空气过滤性能，并表现出优越的光催化和抗菌性能，在功能性空气过滤材料领域具有广泛的应用前景。
　　（4）利用静电纺丝和热处理技术制备出了多孔道纤维表面生长有碳纳米管的多级结构碳纤维膜，并在分析各原料组分和处理工艺作用的基础上，提出了其形成机理。考察了煅烧温度和三聚氰胺添加量对碳纤维微纳米结构的影响。研究发现在钴（Co）纳米颗粒的催化作用下，煅烧温度的提高利于碳纤维上碳纳米管的生长；在1000℃煅烧条件下，随着三聚氰胺与纤维膜质量比的增大，碳纤维上生长的碳纳米管逐渐增多。多孔道碳纤维上Co纳米颗粒和碳纳米管的引入均有助于纤维膜比表面积的提高；碳纤维上碳纳米管的引入和增加也会显著减小纤维膜的孔径。研究了不同多级结构碳纤维过滤膜的过滤性能，分析了纤维膜对NaCl气溶胶颗粒的过滤机制。结果表明，当煅烧温度为1000℃，三聚氰胺与纤维膜质量比为12/1时，多级结构碳纤维膜具有最优的空气过滤性能，纤维膜表现为深层过滤，即保证了纤维膜对微细颗粒物的过滤效率，同时一定程度上防止了因颗粒物的表面沉积造成的较大阻力压降，进而改善了纤维膜的过滤性能。为无机碳纤维材料在空气过滤领域的应用提供了一种新思路。
　　（5）利用ANSYS Workbench DesignModeler和CREO分别建立了多孔结构纤维材料和串珠状纤维材料的三维结构模型，使用ANSYS Fluent模拟计算了模型的速度场和压力分布及模型对不同直径大小颗粒物的过滤效率，并追踪分析了不同直径颗粒物在模型中的运动轨迹，为多级结构纤维材料的结构优化、过滤机理研究和数值化模拟提供了理论支撑。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3研究意义、内容及创新点

第二章 珠状多孔PLA纳米纤维的结构调控及性能研究

2.1实验部分

2.2结果与讨论

2.3本章小结

第三章 多孔PLA微纳米纤维及其复合结构过滤膜的制备和性能研究

3.1实验部分

3.2结果与讨论

3.3本章小结

第四章 混杂结构PLA/TiO2微纳米纤维的结构调控及性能研究

4.1实验部分

4.2结果与讨论

4.3本章小结

第五章 多级结构微纳米碳纤维的结构调控及性能研究

5.1实验部分

5.2结果与讨论

5.3本章小结

第六章 多级结构微纳米纤维膜的空气过滤数值模拟

6.1纤维过滤材料CFD模拟的过程

6.2多孔结构纤维集合体过滤性能的CFD模拟

6. 3串珠结构纤维集合体过滤性能的CFD模拟

6.4本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2展望

参考文献

攻读博士学位期间公开发表的论文、申请专利及参与科研项目等

致谢