静电纺PM2.5过滤膜的结构调控及性能研究

 行业新闻     |      2021-03-03    |    点击数:240

本文采用静电纺丝的方法制备了一系列新型高效低阻纳米纤维过滤材料,还根据不同场合对滤材的需求,制备了具有抗菌、耐高湿、耐高温、可重复利用的纤维滤材。

一、静电纺高效低阻功能化PM2.5过滤膜的结构调控及性能研究

    PM2.5的污染问题在全世界范围内日益严重,并越来越受到人们的重视。虽然这些颗粒物在大气中的含量很少,但由于其尺寸小、在空气中沉降速度慢,严重降低了空气可见度,并对大气物理化学、生物圈和气候造成前所未有的恶劣影响。而且,这些悬浮颗粒以及吸附在其表面的花粉、细菌、真菌、病毒等易被吸入人体,从而会导致或加重呼吸、心血管、传染性和过敏等疾病。

 

    目前普遍采用的空气过滤材料大多由熔喷非织造布制成,不仅效率低阻力高,而且不能满足实际应用过程中不同场合的需求。因此,我们采用静电纺丝的方法制备了一系列新型高效低阻纳米纤维过滤材料,还根据不同场合对滤材的需求,制备了具有抗菌、耐高湿、耐高温、可重复利用的纤维滤材。

 

 

 

 

 

二、具体研究内容

(1)医院等公共场合空气中悬浮的细菌和病毒通常附着在PM2.5表面,因此可以在空气中传播很长的距离,这是传染病暴发的关键因素之一。并且细菌和病毒等微生物一旦随着颗粒物在口罩等防护用品上富集,将对人体造成更大的危害。因此,医用口罩类过滤材料在过滤颗粒物的同时,若能增加其抗菌或抗病毒作用,将大大提高其对人体的防护作用。本论文采用超微量(0.5-8 (?))的超薄(1.25 nm)MXene二维纳米片来修饰高效低阻聚丙烯腈(PAN)纳米纤维过滤材料,在不增加纤维直径的情况下来增强纤维膜对PM2.5的吸附力。通过AFM力曲线测试得到,所得复合纤维膜对PM2.5的粘附力为0-15 n N,是纯PAN纤维膜(0-5 n N)的3倍左右。因此,该纤维膜表现出优异的过滤性能,过滤效率约为99.7%,阻力约为42 Pa。而且,该复合纤维膜能够有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的繁衍,适用于医院等公共场合的使用。

 

(2)雾霾天气的发生通常伴随着环境湿度的升高,这不仅会增加PM2.5的浓度,还会给颗粒物的过滤造成很多困难。上述PAN纳米纤维膜由于具有亲水性,在高相对湿度环境中连续过滤45 min,阻力从77 Pa上升到368 Pa左右。这是因为亲水膜会吸附空气中的水蒸气,导致孔被堵塞。为了解决高相对湿度环境中过滤阻力快速上升的问题,本论文设计制备了具有串珠结构的疏水性聚氯乙烯(PVC)纳米纤维膜。该纤维膜具有很多大的空腔结构,可有效降低过滤阻力,使得其过滤性能优于无串珠结构的纳米纤维过滤膜。并且该串珠结构增强了纤维膜的疏水性,使其在空气相对湿度高达90-95%的环境中连续测试600 min后,过滤阻力依然保持在45 Pa左右。并且,该疏水性PVC纤维膜可以和亲水性滤纸共同构造一种疏水/亲水Janus膜,用于在过滤膜上游去除和收集空气中的微小液滴,使空气变得相对干燥,这样便更有利于过滤过程的进行。这种材料的设计与制备为高湿环境中空气的过滤提供了新的思路与方法。

 

(3)空气过滤材料在实际应用过程中通常还需要具有耐高温、可重复利用等优质特性,来满足高温场所空气滤材的需求,以及降低滤材垃圾的产生。而上述电纺有机聚合物PAN和PVC纳米纤维膜虽然都表现出优异的空气过滤性能,但它们均不具有耐高温特性,在200-300 oC就会出现质量损失。并且其单根纤维柔性较强,经过水处理后,纤维膜的结构会发生较大改变,导致其过滤性能降低约40%左右,不具有重复利用的潜质。因此本论文采用溶胶-凝胶静电纺丝和高温煅烧相结合的方法制备了一种无机Si O2纳米纤维膜。该纤维膜可耐800 oC高温,完全满足特殊场合对滤材耐高温特性的需求。并且该纤维膜单根纤维具有刚性,水洗前后结构不会发生变化,因此过滤性能也依然保持初始值。而且被焚香烟雾污染的该纤维膜可采用商用市售的乙醇消毒液和84消毒液共同作用,即可将其绝大部分污染物清洗干净,使其过滤性能恢复如初。还可以采用高温煅烧的方式来去除纤维膜上的污染物,使其膜结构和过滤性能不会发生变化。因此,此类纤维滤材在使用过程中可重复利用,大大降低了滤材更换的成本,并在很大程度上缓解了疫情期间口罩等医疗资源紧缺和医疗废物难处理的紧急情况。