高效低阻PAN靜電紡微納米濾膜制備與性能研究.pdf

1、近年來(lái)，空氣污染和水污染問(wèn)題嚴(yán)重，蔓延世界各大城市，如PM2.5（俗稱霧霾）和石油泄漏。PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)，對(duì)人體健康和環(huán)境質(zhì)量影響大。含油污水來(lái)源十分廣泛，如石油化工、開采、機(jī)械加工、皮革、紡織、食品等行業(yè)，且排放量大，若直接排入水體，對(duì)自然生態(tài)平衡危害極大。傳統(tǒng)空氣過(guò)濾技術(shù)存在過(guò)濾效率低、壽命低等難題。靜電紡納米纖維膜比表面積大、孔隙率高、制備過(guò)程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，紡制一定厚度的均勻納米膜因其高濾效的特點(diǎn)迅速引起人

2、們的關(guān)注并很快應(yīng)用到過(guò)濾方面。但目前為止，納米膜的過(guò)濾阻力大、產(chǎn)量低、性能優(yōu)勢(shì)不顯著、理論研究少等問(wèn)題，極大的限制了其在過(guò)濾方面的應(yīng)用。
　　本文主要針對(duì)以上問(wèn)題展開研究。首先研究采用單針頭紡絲裝置和結(jié)構(gòu)接收模板制備高效低阻空氣過(guò)濾材料的方法。PAN以其易紡、纖維細(xì)度均勻和結(jié)構(gòu)均勻蓬松等優(yōu)點(diǎn)被選為紡絲材料。分別選擇凸起泡沫結(jié)構(gòu)、紙面壓花結(jié)構(gòu)、鋁箔作為模板，研究了模板結(jié)構(gòu)、紡絲時(shí)間和優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)納米膜過(guò)濾性能的影響。研究結(jié)果表明：采用

3、凸起泡沫作為接收裝置，紡絲時(shí)間為8~10 h時(shí)，納米膜堆積密度低，質(zhì)量因子高，納米膜的平均孔徑約為3.5μm，因此PAN納米膜過(guò)濾阻力從151.7 mmH2O下降至28.7 mmH2O，過(guò)濾效率從97.32％下降至95.55%；在凸起泡沫間隙加入細(xì)紗線時(shí)可以有效提高PAN納米纖維膜的均勻性，納米膜的過(guò)濾效率提高至96.33%，過(guò)濾阻力從287 Pa下降至247 Pa。
　　其次，本文研究了納米纖維空氣過(guò)濾膜的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。采用本課題

4、組研發(fā)的三維自由液面靜電紡絲裝置，產(chǎn)量為20~25 g/h，選用PAN作為紡絲材料，分別研究了距離、電壓、溶液量、接收滾筒的轉(zhuǎn)速、橫移速度、溫濕度、孔徑等參數(shù)對(duì)納米膜過(guò)濾性能的影響。將制備的高效低阻納米膜制備成口罩及過(guò)濾膜產(chǎn)品，并研究產(chǎn)品過(guò)濾性能、透氣透濕、強(qiáng)力、直徑和孔徑分布等性能。研究結(jié)果表明：溶液量約為50~60 ml、滾筒轉(zhuǎn)速約為30~40 r/s，橫移速度為800 cm/Min，電壓為60~68 KV，距離為15 cm，平均孔

5、徑為2~3μm時(shí)，納米膜的過(guò)濾效率可達(dá)95~99.56%，過(guò)濾阻力為100~250 Pa，透氣率約為300 L·m-2·s-1，透濕性為9.6~13 m2·Pa·w-1，強(qiáng)力在50 N左右，直徑為50~300 nm，孔徑為0~3μm，滿足美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（NOISH）、歐盟標(biāo)準(zhǔn)（EN149），中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（GB2626-2006）。
　　接著，本文對(duì)高效低阻靜電紡PAN納米纖維膜氣體過(guò)濾機(jī)理進(jìn)行分析。分別研究了溶液性質(zhì)、納米纖維取向度和NaC

6、l氣溶膠流速對(duì)納米纖維膜過(guò)濾性能的影響；分析納米纖維膜過(guò)濾機(jī)理，靜電效應(yīng)、慣性沉積和重力沉積、擴(kuò)散效應(yīng)和攔截效應(yīng)；建立非穩(wěn)態(tài)過(guò)濾效率數(shù)學(xué)模型和過(guò)濾阻力數(shù)學(xué)模型，并與試驗(yàn)擬合結(jié)果比較分析。結(jié)果表明：PAN溶液黏度為1200 CP時(shí)，是紡絲溶液的較佳使用狀態(tài)；轉(zhuǎn)速對(duì)納米膜的過(guò)濾性能影響不大，但影響產(chǎn)品性質(zhì)；隨著NaCl氣溶膠流速的增加，納米纖維膜的過(guò)濾效率逐漸減小，過(guò)濾阻力逐漸增加。慣性沉積、擴(kuò)散效應(yīng)和攔截效應(yīng)是納米纖維膜的高過(guò)濾效率的主要

7、過(guò)濾機(jī)理。靜電紡納米纖維膜過(guò)濾效率擬合公式為：(_此處公式省略)，過(guò)濾阻力擬合公式為：（此處公式省略）。
　　最后，為拓展納米膜應(yīng)用領(lǐng)域，本文研究了高強(qiáng)力納米纖維膜制備工藝和應(yīng)用。通過(guò)對(duì)比幾種常見水處理材料，找出納米材料的優(yōu)劣勢(shì)，然后分別采用改變納米膜厚度、加鹽、改變接收滾筒轉(zhuǎn)速和熱軋與平板熱粘合方式來(lái)提高納米膜強(qiáng)力，最后將制備得到的高強(qiáng)力納米膜應(yīng)用于含油污水過(guò)濾領(lǐng)域。
　　研究結(jié)果表明：熱軋與平板熱黏合方式制備的靜電紡納米