微纳米纤维过滤材料的制备及过滤、抗菌性研究

摘要

据世界卫生组织相关数据统计表明，世界92％的人口生活在严重污染地区，每年约有300万例死亡与暴露于室外空气污染有关。为了应对这一难题，保障人们的正常出行及身体健康，对于空气过滤产品的研发变得异常重要。早期，对于空气过滤材料的研究主要集中在非织造材料的生产和工艺调控方面，而普通的非织造材料存在纤维直径大、过滤效率低等缺陷，通常需要经过驻极、复合等后处理才能实现高过滤性能;随着静电纺丝技术的发展，利用静电纺丝技术可直接制备出纤维直径小、比表面积高和孔隙率高的纳米纤维材料，且具有较高的过滤性能。尽管如此，对于高效低阻过滤材料的研究仍然是当下需要去攻克难题，而如何使该过滤材料具有高过滤性能的同时又具有多功能化是今后的研究方向。　　针对以上问题，本课题主要探宄了高效、微纳米纤维结构以及具有抗菌功能的过滤材料的制备方法及对其性能进行测试表征。具体取得成果如下:　　(1)对纳米纤维空气过滤材料的结构及过滤性能进行调控分析，首先对静电纺纳米纤维直径进行调控，通过对纤维形成及影响因素进行分析，发现静电纺纳米纤维直径的大小受到多种因素的影响，根据各影响因素在不同的形成阶段所发挥的影响作用不同，分别使用不同的数学模型进行纤维直径的预测，通过实验值与预测值的对比发现，单独分析各影响因素对纤维直径的影响作用时，会使实验值与预测值之间存在较大的偏差，预测精度不高。因此，综合分析这些因素的影响作用，对已建立的纤维直径数学模型进行修正，实验数据验证表明，修正后的经验公式对纤维直径的预测精度较高;根据该过滤材料主要针对的过滤颗粒为0.2～0.5μm之间的粒子，确定其过滤机理主要为拦截作用、布朗扩散以及拦截和布朗扩散共同作用，由这三种过滤机理的单根纤维捕集效率确定了该过滤材料的过滤效率和过滤阻力的数学模型公式，经实验数据验证表明，在三种过滤机理中拦截作用最强，且该公式对于填充率在7％～23％、纤维直径在90～110nm之间的纳米材料的过滤效率预测精度较好，而过滤阻力的预测值与实验值则存在较大的偏差，且实验值均大于预测值。原因是多方面的，被拦截的过滤颗粒负载在纤维上继而对后来的颗粒也形成一种拦截作用，由此造成纳米纤维膜的孔径减小，过滤阻力增大，因此在对过滤阻力进行理论分析时还应考虑到颗粒沉积后的影响作用;　　(2)利用静电纺丝技术，将高性能的PVDF纳米纤维直接与作为接收材料的非织造布复合，如此既可省去后期热粘合的工序，又能在不破坏纤维形貌结构的条件下使两种材料复合完好，形成具有高效过滤性能的微纳米纤维过滤材料，经过复合前后的测试数据表明，该复合材料无论是在孔径大小还是过滤性能上均得到了提升，且由于选用的两种纤维原料均为疏水性材料，所以复合后并不会改变其原有疏水性能，使该材料仍然具备优良的疏水性能，干燥的环境可有效避免了细菌的滋生。在以后的研究中同样也可通过选用两种不同特性的材料进行复合，以此来获得具有不同性能的双面过滤介质，进一步拓宽了复合微纳米纤维的应用领域及使用价值。　　(3)为了使高效过滤材料同时也具备高效持久的抗菌功能，首先利用液相还原法制备出粒径为10nm左右的银颗粒，与PVDF溶液进行混纺，通过静电纺丝法制备出一种兼具高效过滤和长效抗菌功能的纳米纤维膜，纳米纤维形貌图及X射线衍射图都证明了还原析出的纳米银颗粒成功负载在纤维的表面，部分存在于纤维内部;通过水接触角的测试数据发现，适量银粒子的加入不会改变原PVDF纳米纤维膜的疏水性能;抗菌性能测试结果表明，加入银粒子的纤维材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有高效、持久的抗菌性能，当含银量为0.12g时，该材料在放置两周后对两种菌种的抑菌率仍为100％;过滤性能测试结果表明，与未加入银粒子的PVDF纳米纤维膜对比，加入银粒子后出现的“树枝状”纳米纤维不仅减小了纳米纤维膜的孔径，同时还提高了过滤效率，而过滤阻力基本保持不变，当含银量为0.08g时，品质因子达到最大值0.0575。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2静电纺丝技术

1．2．1静电纺丝技术简介及工艺原理

1．2．2影响静电纺纤维形态结构的因素

1．2．3静电纺丝技术的发展前景

1．3聚偏氟乙烯纳米纤维的研究现状

1．3．2聚偏氟乙烯纳米纤维的应用

1．4抗菌材料

1．4．1银系纳米抗菌材料

1．4．2银系纳米抗菌材料的抗菌机理

1．4．3银系纳米材料的应用

1．5空气过滤机理

1．6．1研究意义

1．6．2研究内容

第二章纳米纤维空气过滤材料结构调控及过滤性能分析

2．1引言

2．2静电纺丝技术中纤维的形成

2．3纳米纤维结构的数学模型分析

2．2．1纤维直径数学模型

2．2．2过滤性能数学模型

2．3实验部分

2．2．1实验材料

2．2．2实验仪器

2．2．3实验过程

2．2．4性能表征

2．3结果与讨论

2．3．1聚合物溶液性质对纤维直径的影响

2．3．2纺丝参数对纤维直径的影响

2．3．3过滤性能数学模型的验证

2．5本章小结

第三章复合微纳米纤维膜的制备及其空气过滤性能分析

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验材料

3．2．2实验仪器

3．2．3实验过程

3．2．4性能表征

3．3结果与讨论

3．3．1纤维形貌表征

3．3．2复合微纳米纤维膜的孔径分布

3．3．3复合微纳米纤维膜的疏水性能分析

3．3．4复合前／后微纳米纤维膜的过滤性能分析

3．4本章小结

第四章AgNPs／PVDF纳米纤维膜的制备及性能分析

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验材料

4．2．2实验仪器

4．2．3AgNPs／PVDF纳米纤维膜的制备

4．2．4性能表征

4．3结果与讨论

4．3．1溶液性质分析

4．3．2纳米纤维形貌分析

4．3．3X射线衍射分析

4．3．4接触角分析

4．3．5孔径分析

4．3．6抗菌性能分析

4．3．7过滤性能分析

4．4本章小结

第五章总结与展望

5．1全文总结

5．2课题展望

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

致谢