驻极聚醚酰亚胺-二氧化硅纳米纤维膜在空气过滤中的应用

摘要

随着工业化进程的深入和快速发展，排放到大气中的粉尘颗粒物急剧增加，其中 PM2.5（粒径小于2.5μm的颗粒污染物）会对人类的健康造成严重的伤害，其被吸入人体后会直接进入支气管，引发哮喘、支气管炎、尘肺和心血管病等疾病，这是造成我国肺癌患者急剧增加的主要原因之一。此外， PM2.5还会导致雾霾天气频发和雾中有毒有害物质浓度的大幅增加，影响人们的正常出行并对动植物的正常生长造成严重危害。因此，设计和制备能有效降低空气中颗粒污染物的过滤材料是一项关乎民生健康、国家和谐发展的重大课题。传统的熔喷非织造驻极材料经过驻极处理，表面带上电荷使其具有较高的过滤效率，但其电荷稳定性易受环境影响，且电荷衰减速率较快，过滤效率随之大幅下降。此外，驻极过程作为一项必须的后处理工艺也在一定程度上增加了生产成本。为了克服上述熔喷驻极过滤材料存在的问题，本课题采用性能优异的无机驻极体，通过静电纺丝技术一步制备电荷稳定性强且具有高过滤效率和低空气阻力的静电纺/驻极体复合纤维膜材料。
　　本课题采用静电纺丝技术，首先以聚醚酰亚胺（PEI）为原料， DMF/NMP=1/1（wt/wt）为溶剂（DMF为N,N-二甲基甲酰胺，NMP为 N-甲基吡咯烷酮），制备出不同浓度的PEI纤维膜，并采用 FE-SEM、强力拉伸仪和 LZC-H过滤性能测试台等对纤维膜的结构和性能进行表征，确定了PEI的质量浓度为20％；其次在20％的PEI溶液中分别加入固含量为6％的勃姆石（Boehmite）、二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、钛酸钡（BaTiO3）四种驻极体。驻极体的加入使静电纺纤维膜带上大量空间电荷，使其过滤效率有较大的提高，同时结合可纺性、过滤性能、表面电荷衰减性能、热释电性能，确定了最佳的驻极体材料为SiO2。最后考察了SiO2添加量对PEI-SiO2复合纤维膜形貌结构、孔径结构、过滤性能、表面润湿性的影响。结果表明：当 SiO2固含量为6％时，其过滤效率最大为95.20％，压阻为11.7Pa（空气流量为32L/min）；并且复合纤维膜与水的接触角达到152o，与商品化的熔喷聚丙烯（PP）膜相比表现出更好的自清洁性。
　　此外还研究了纤维克重和空气流量对纤维膜过滤性能的影响，发现随着克重的增加，PEI-SiO2复合纤维膜过滤效率增加；随着空气流量的增加，复合纤维膜过滤效率略有降低；同时，PEI-SiO2复合纤维膜在200℃高温下处理30min过滤效率几乎不变，其过滤效率为99.99％，而商品化PP纤维膜在180℃处理30min后，其过滤效率接近0。上述研究表明，PEI-SiO2复合纤维过滤膜具有良好的热稳定性，使其在中高温过滤领域表现出了广阔的应用前景，进一步拓展了静电纺纤维膜的应用范围。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 空气过滤材料

1.3 纳米纤维的生产技术

1.4 驻极体

1.5 静电纺-驻极体复合材料

1.6 课题研究的意义和内容

第二章 实验内容

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 测试与表征

2.4 本章小结

第三章 PEI-驻极体复合纤维膜结构性能分析与讨论

3.1 引言

3.2 电纺PEI纤维结构性能分析与讨论

3.3 电纺PEI-驻极体复合纤维性能分析与讨论

3.4 本章小结

第四章 PEI-SiO2复合纤维膜的结构性能分析与讨论

4.1 引言

4.2 PEI-SiO2复合纤维膜的结构性能分析与研究

4.3 影响纤维膜过滤性能因素的研究

4.4 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