高湿/油性环境中驻极性能稳定的纳米纤维膜的制备及其PM2.5过滤性能研究

摘要

近年来，空气中可吸入颗粒物（PM）污染日趋严重，尤其是直径小于 2.5μm的颗粒物（PM2.5）污染每年造成我国数百万人死亡。因此，为了有效的防护PM2.5的污染，亟需开发一种兼具高过滤效率和低空气阻力的空气过滤材料，从而实现对空气中有害颗粒物的防护。纤维类空气过滤材料因具有曲折的多孔结构，是理想的空气过滤材料。然而，传统纤维类过滤材料由于孔径大造成其对 PM2.5的过滤效率低，或者由于堆积密度大，致使空气在通过滤料时阻力大，难以满足高性能空气过滤材料的要求。 目前驻极纤维空气过滤材料主要是对纤维进行了后续注入电荷处理，依靠库仑力对颗粒物的吸附作用，从而在不增加压阻的同时提升材料的过滤效率，成为最有应用前景的纤维空气过滤材料。现有的驻极纤维空气过滤材料(如聚丙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺等）都是通过电晕放电、摩擦充电和高压击穿充电等方法使其注入电荷。然而，这些驻极材料都是对已成纤材料进行二次加工，无法保证电荷注入的深度，导致其驻极性能在雾霾环境(油性和高湿)下稳定性差，从而造成滤料过滤性能的急剧下降，极大的限制了其在实际中的应用。 纳米纤维材料由于具有孔径小、孔隙率高和比表面积高等优点，可有效提高纤维空气过滤材料的过滤性能。而静电纺丝作为一种有效的制备纳米纤维的方法，可以在纤维成形过程中注入电荷，因此其可有效保证电荷注入的深度和电荷量。现有驻极纳米纤维过滤材料有尼龙6/勃姆石、聚苯乙烯/聚丙烯腈、聚醚酰亚胺/二氧化硅、聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯。然而，上述驻极纤维过滤材料都是通过调节参数来增强驻极性能，且未考察其在高湿和油性条件下的驻极性能，电荷的注入和耗散机制也尚不清晰。为此，我们拟进一步揭示静电纺驻极电荷的注入和耗散机制，制备出能够在高湿和油性环境下依然保持优异电荷稳定性的驻极纤维材料。 本课题通过静电纺丝技术制备出能够在高湿和油性环境下具有稳定驻极性能的纳米纤维膜，选用的聚合物为高电阻率的聚乙烯醇缩丁醛（PVB ），添加的驻极体为高介电常数的氮化硅纳米颗粒（Si3N4 NPs），表面润湿性改性剂为低表面能的含氟聚氨酯（FPU），溶剂选择 N,N-二甲基甲酰胺（DMF），制备不同 Si3N4 NPs 和 FPU含量的PVB/Si3N4-FPU 复合驻极纳米纤维膜。当 Si3N4 NPs 含量由0wt%增加到 1wt%时，纤维膜表面电势由 1610V增加到 2010V，而且其驻极电荷的稳定性在高湿和油性环境下也随之提高。此外，通过引入表面改性剂 FPU后，纤维膜在相对湿度 85%和油性颗粒物的环境下其表面电势稳定性分别提升了62.8%和48.4%。 此外，我们还研究了纤维膜克重、空气流速、颗粒物种类对纤维膜过滤性能的影响，结果表明随着平方克重的增加，PVB/Si3N4-FPU 复合纳米纤维膜的过滤效率也随之增加，并随着空气流量的增大而减小。探究了其对PM2.5的净化效率，同时与市售滤材的综合过滤性能进行了对比，发现 PVB/Si3N4-FPU 复合纳米纤维膜具有更高效的PM2.5净化效率，其过滤效率可高达 99.950%，阻力压降低至55Pa。结果表明，这种新型的PVB/Si3N4-FPU 复合驻极纳米纤维膜在恶劣环境下拥有极强的电荷稳定和过滤性能，使其距离在实际的应用中更进一步。

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