氟化超双疏聚丙烯腈/聚氨酯纤维膜的制备及其空气过滤性能研究

摘要

随着我国城市化的加快和工业化的迅猛发展，空气污染已成为当下环境污染的一个主要问题。人类生活、工业、交通、建筑等行业排放了大量的粉尘、烟尘。这不仅对人类的身体健康构成极大的威胁，同时也对和谐的自然环境如动物、植物、自然气候等产生巨大影响。2014年1月4日，国家减灾办、民政部通报2013年自然灾情，首次将雾霾天气纳入。因此，设计和制备能有效从根源上解决空气中粉尘污染的过滤材料是一项关乎民生卫生健康的重大课题。
　　传统非织造过滤材料对于过滤尺寸在微米级以上的颗粒具有良好的过滤性能，但对于尺寸在亚微米甚至纳米级的颗粒物质或细菌过滤性能较差。本课题主要采用静电纺丝技术，首先以聚丙烯腈(PAN)为原料，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂，通过调整工艺参数制备出了不同浓度的PAN纤维膜，并采用FE-SEM、LZC-H过滤性能测试台、强力拉伸仪等对PAN纤维膜的结构形貌和应用性能进行表征，确定了PAN的浓度11wt％;其次，为了克服PAN纤维膜强力差、不耐磨等缺点，通过引入聚氨酯(PU)对纤维膜力学性能进行改性，使得PAN/PU纤维之间产生粘连，从而大大提高了过滤膜的力学性能和耐磨性能，并通过调整喷头的比例对纤维膜的力学性能、耐磨性能以及过滤性能进行了综合衡量，确定了PAN/PU纤维膜的喷头比例为2/2;最后为了拓宽PAN/PU纤维膜的应用领域，自合成了一种含氟聚氨酯(FPU)，通过调整FPU的浓度对纤维的表面进行修饰，制备出了具有优异的防水防油性能的超双疏性PAN/PU复合纤维微孔膜，并对其过滤性能和润湿性能等进行表征。实验结果表明:当FPU的含量添加到1wt％时，氟化的PAN/PU纤维膜具疏水角高达154°，疏油角达151°的双超疏状态，并采用泡点法、光学轮廓仪等对不同FPU含量的纤维膜表面形貌和粗糙度进行非常直观和精确的测量。
　　根据不同的工作环境要求，我们选择不同克重的纤维膜来满足实际过滤效率和阻力压降的需求。当纤维膜克重约为24g/m2左右、空气流量为32L/min时，300～500nm尺寸范围内的氯化钠和油性气溶胶颗粒的过滤效率分别达99.999和99.980％，阻力压降仅为116和117Pa。在确定了纤维膜的克重后，我们研究了不同风速对纤维膜过滤性能与阻力压降之间的影响，当风速高达90L/min，过滤粉尘和油性气溶胶颗粒效率分别达到99.981和99.956％。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 空气过滤简介

1．3 过滤机理

1．4 静电纺丝技术

1．5 静电纺纤维在空气过滤领域中的应用

1．6 本课题的研究意义及内容

第二章 实验内容

2．1 实验原料与仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器

2．1．3 静电纺丝设备

2．2 实验内容

2．2．1 FPU的合成

2．2．2 静电纺纤维膜的制备

2．3 测试与表征

2．4 本章小结

第三章 PAN／PU纤维膜结构性能分析与讨论

3．1 引言

3．2 电纺PAN纤维结构性能分析与讨论

3．2．1 浓度对纤维膜形貌的影响

3．2．2 浓度对过滤性能的影响

3．2．3 浓度对力学性能的影响

3．2．4 浓度对透气性能的影响

3．3 电纺PAN／PU纤维结构性能分析与讨论

3．3．1 PU浓度对过滤性能的影响

3．3．2 多喷头比例对纤维形貌影响

3．3．3 多喷头比例对过滤性能的影响

3．3．4 多喷头比例对力学性能的影响

3．3．5 多喷头比例对耐磨性和透气性能的影响

3．4 本章小结

第四章 FPU修饰PAN／PU复合纤维膜的结构性能分析与讨论

4．1 引言

4．2 FPU的表征

4．2．1 核磁共振分析

4．2．2 红外光谱分析

4．3 FPU修饰PAN／PU纤维结构性能分析与讨论

4．3．1 FPU含量对纤维形貌影响

4．3．2 FPU含量对纤维膜润湿性能影响

4．3．3 FPU含量对纤维膜的孔径分析

4．3．4 FPU含量对纤维膜机械性能的影响

4．3．5 FPU含量对纤维膜的过滤性能的影响

4．4 影响纤维膜过滤性能因素的研究

4．4．1 不同克重对纤维膜过滤性能的研究

4．4．2 不同风速对纤维膜过滤性能的研究

4．5 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