溶液喷射纺微纳米纤维膜的宏量制备及其过滤性能研究

摘要

溶液喷射纺丝(Solution Blowing)技术是一种融合了熔喷技术和干法纺丝技术特点的新型纳米纤维制备技术，具有原料适应性广、操作简单安全、易规模化生产等优点，具备良好的发展前景。目前，相关研究主要围绕纺丝成形原理、纤维结构与性能以及新材料开发等方面展开。然而，对宏量制备纳米纤维技术的工业化探索和产品开发相对较少。
　　本文基于课题组前期对溶液喷射纺丝技术的研究，自行设计制造了溶液喷射纺丝中试试验机，并通过纺丝验证实验，优化了试验机的设备结构和参数，实现纳米纤维的连续化宏量生产。
　　利用自制的溶液喷射纺丝中试试验机，采用单因素分析实验和BBD实验设计，探究了纺丝工艺参数及其交互作用对聚丙烯腈(PAN)纤维形态和孔径的影响规律，建立了PAN纳米纤维膜平均孔径、纤维直径和纺丝工艺参数的关系;同时研究了PAN纳米纤维膜的空气过滤性能，开发三层复合的PAN纳米纤维膜空气过滤材料。结果表明:纺丝工艺参数对纤维形态均会产生影响，其中，纤维直径主要受到纺丝液浓度，牵伸风压，进液速度的影响;感应电压主要影响纤维分布的均匀性;纤维膜的平均孔径则主要受到牵伸风压和感应电压的影响。通过调控纺丝工艺参数能有效的控制PAN纳米纤维的宏量生产;所生产的复合PAN纳米纤维膜在消除静电后，对0.4μm的DEHS粒子具有99.923％的过滤效率和117Pa的压降。
　　针对目前市场对高效高温过滤材料的迫切需求，开发了溶液喷射纺PMIA纳米纤维过滤材料;采用单因素分析实验，采用单因素分析实验，研究纺丝工艺参数对PMIA纳米纤维膜孔径和纤维直径的影响以及不同克重PMIA纳米纤维膜高温过滤性能的影响。结果表明:纺丝液浓度和感应电压影响纤维分布和纤维形态，纺丝液浓度和牵伸风压对纤维直径影响显著，感应电压和纺丝液浓度对纤维膜的平均孔径影响显著;该技术实现了PMIA纳米纤维膜的宏量生产，扩大了中试试验机宏量生产纳米纤维的范围。在消除静电后，当PMIA纤维膜克重为2g/m2时，其过滤效率为72.9％，压降为18.15Pa;当纤维膜克重达到11g/m2时，其过滤效率可以达到99.787％，压降为131.1Pa。同时，柔性PMIA纳米纤维膜在278.2℃以下保持稳定的热力学性能，满足了应用于高温过滤材料的基本要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 纳米纤维及其应用概述

1．1．1 能源生产和储存

1．1．2 生物医学工程

1．1．3 环境保护

1．2 纳米纤维制备技术研究进展

1．2．1 静电纺丝技术

1．2．2 离心纺丝技术

1．2．3 溶液喷射纺丝技术

1．3 课题研究的内容和意义

第二章 溶液喷射纺丝中试试验机的设计和纺丝实验

2．1 引言

2．2 溶液喷射纺丝中试试验机设计制造

2．2．1 纺丝系统设计

2．2．2 收集系统设计

2．2．3 供液系统设计

2．2．4 控制系统设计

2．2．5 完整成形的溶液喷射纺丝中试试验机

2．3 纺丝实验

2．3．1 实验原料和仪器

2．3．2 纺丝液的配置

2．3．3 单因素分析外部参数设计

2．3．4 验证实验

2．3．5 纳米纤维结构和形态表征

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 单因素实验分析

2．4．2 验证实验分析

2．5 本章小结

第三章 PAN纳米纤维的宏量制备工艺及空气过滤材料开发

3．1 引言

3．1．1 空气过滤材料的市场现状

3．1．2 纳米纤维空气过滤材料的设计方法

3．1．3 本章研究内容

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料和仪器

3．2．2 纺丝液配置

3．2．4 Box-Behnken实验设计

3．2．5 Box-Behnken验证实验和PAN纤维膜的制造

3．2．6 静电消除

3．2．7 测试与表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 单因素实验分析

3．3．2 Box-Behnken实验结果与分析

3．3．3 BBD验证实验和纤维膜过滤性能分析

3．3．4 复合PAN纳米纤维膜的过滤性能分析

3．4 本章小结

第四章 芳纶纳米纤维膜的宏量制备及其高温过滤性

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料和仪器

4．2．2 纺丝液的配置

4．2．3 单因素分析实验设计

4．2．4 PMIA纳米纤维膜的制备

4．2．5 静电消除

4．2．6 测试和表征

4．3 结果与分析

4．3．1．单因素实验结果分析

4．3．2 PMIA纳米纤维膜的过滤性能分析

4．3．3 XRD分析

4．3．4 热性能分析(TG-DSC)

4．3．5 动态热力学分析(DMA)

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 全文结论

5．2 展望

参考文献

硕士期间主要研究成果

致谢