聚偏氟乙烯/聚四氟乙烯复合驻极纳米纤维膜的制备及其空气过滤性能研究

摘要

近年来，空气中颗粒物（PM）污染日益加剧，严重危害了人类的身体健康。同时，随着现代化工业的快速发展，全球能源危机日益加重。因此，亟需开发一种高效低阻、经济环保、能耗低的空气过滤材料。传统的纤维空气过滤材料（如熔喷纤维、玻璃纤维）因具有弯折的孔道结构、高孔隙率等特点，在空气过滤领域占有主要的地位。然而，又因其结构堆积紧密，导致空气阻力大；纤维间孔径大，致使过滤效率较低，难以满足空气过滤材料对高效、低阻的要求。
　　驻极纤维能长期储存大量电荷，并具有在纤维外围产生宏观电场的能力，可以依靠静电力吸附空气中 PM2.5。因此，驻极纤维膜已成为最有应用前景的过滤材料。现有的驻极技术如电晕充电技术具有生成电荷少、电荷耗散快等缺点。然而，静电纺丝技术作为制备纳米纤维最为有效的手段，同时使驻极纤维在成纤前原位注入电荷，有效地解决了常见驻极技术的瓶颈。目前，对静电纺驻极纤维膜的驻极及空气过滤性能的研究相对较少，已研究的有尼龙6/勃姆石、聚苯乙烯/聚丙烯腈、聚醚酰亚胺/二氧化硅驻极纳米纤维过滤材料。然而，上述滤材具有空间电荷不稳定，极化电荷数量少等缺点，不利于其实际应用。因此，简便制备出成本低、电荷丰富且稳定的高效空气过滤材料是一个亟待解决的问题。
　　本课题利用静电纺丝技术，采用聚偏氟乙烯（PVDF）为主体聚合物，聚四氟乙烯纳米颗粒（PTFE NPs）为有机驻极体，N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂，制备不同PTFE NPs含量的PVDF/PTFE复合纳米纤维膜。采用扫描电子显微镜、孔径分析仪和自动滤料测试仪等对纤维膜的结构、性能进行表征，确定了PTFE NPs含量为0.05wt％时，PVDF/PTFE复合纳米纤维膜上带有大量的空间和极化电荷，使其过滤性能、电荷性能、热释电性能等达到最佳。此外，为了获得更多更稳定的电荷，采用不同的电压制备PVDF/PTFE复合纳米纤维膜，发现电压为40kV时，纤维膜的表面电势和电荷稳定性有很大提升，表面电势由0.42kV升至3.63kV，电荷衰减率由75.4%降至17.5%。
　　另外考察了纤维膜克重和空气流量对纤维膜过滤效率的影响，结果表明PVDF/PTFE复合纳米纤维膜的过滤效率随着纤维膜克重的增大而增加，并随着空气流量的升高而降低。探究了纤维膜对PM2.5的过滤及净化性能。同时与其他过滤材料的过滤性能进行了对比，发现PVDF/PTFE复合纳米纤维膜具有更优异的过滤性能，过滤效率高达99.972%，阻力压降仅57Pa。结果表明，这种新型的PVDF/PTFE复合驻极纳米纤维膜具有优良的过滤性能及电荷稳定性，使其在空气过滤领域展现出巨大的应用潜力。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2空气过滤技术

1.3纤维空气过滤材料

1.4驻极纤维的制备方式

1.5静电纺驻极纳米纤维过滤膜

1.6课题研究的内容和意义

第二章 PVDF/PTFE复合驻极纳米纤维膜的制备与表征

2.1引言

2.2 PVDF/PTFE复合驻极纳米纤维膜的制备

2.3测试与表征方法

2.4本章小结

第三章 PVDF/PTFE复合驻极纳米纤维膜结构性能研究

3.1引言

3.2 PTFE微粒粒径对纤维膜结构性能的影响

3.3 PTFE NPs含量对纤维膜的结构性能的影响

3.4电压对纤维膜结构性能的影响

3.5本章小结

第四章 PVDF/PTFE复合驻极纳米纤维膜过滤性能研究

4.1引言

4.2克重对纤维膜过滤性能的影响

4.3空气流速对纤维膜过滤性能的影响

4.4颗粒物种类对纤维膜过滤性能的影响

4.5纤维膜PM2.5净化性能的分析

4.6纤维膜与其他过滤材料过滤性能对比分析

4.7本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士期间取得的学术成果

致谢