【摘 要】
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随着本国工业化与城镇化迅速发展,PM2.5造成的空气污染已严重威胁到人民的健康与生活。在目前高排放标准的要求下,传统纤维过滤材料因存在纤维直径粗、纤维分布不均和孔径大等问题,已无法满足更高的过滤要求。电纺技术能够制取纳米尺度的纺丝纤维,对PM2.5的捕获效果显著。眼下,静电纺丝在空气过滤领域的研究大多属于实验室小批量研究,传统电纺装置有产量小、易堵针以及难清洗等不足,电纺纳米纤维滤料仍存在着覆膜牢
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随着本国工业化与城镇化迅速发展,PM2.5造成的空气污染已严重威胁到人民的健康与生活。在目前高排放标准的要求下,传统纤维过滤材料因存在纤维直径粗、纤维分布不均和孔径大等问题,已无法满足更高的过滤要求。电纺技术能够制取纳米尺度的纺丝纤维,对PM2.5的捕获效果显著。眼下,静电纺丝在空气过滤领域的研究大多属于实验室小批量研究,传统电纺装置有产量小、易堵针以及难清洗等不足,电纺纳米纤维滤料仍存在着覆膜牢度低与滤阻高等问题。本课题设计了一种直线电极式批量静电纺丝装置,并基于该装置对复合滤料的电纺工艺参数及其综合性能展开研究,研发出一种高滤效、低滤阻且力学强度好的电纺空气滤料。（1）设计了一种直线电极式批量静电纺丝装置,该装置主要由储液组件和升降台组件构成的直线电极式纺丝模块、平板式升降接收模块、收卷与放卷模块、精密供液模块和高压电源模块组成。可升降的储液组件可对纺丝电极进行快速刷液,为装置高效大规模地制备纳米纤维提供保障,平板式升降接收模块使得纺丝收集距离易于调控。然后完成了精密供液模块与高压电源模块的选型,紧接着完成了装置整体的布局与设计,对装置进行安全防护处理,最终实现装置实物的设计与搭建,解决了传统静电纺丝装置产量小与易堵针等问题。（2）基于COMSOL软件,构建纺丝工作腔的简化电场模型,分析工作腔电场的分布特征,探究电极丝直径、纺丝电压和收集距离的变化对工作场强的影响规律,优化了纺丝电极的尺寸。（3）基于自行设计的直线电极式批量静电纺丝装置,制备TPU/PAN复合纳米纤维滤料,探究不同纺丝溶液混合比例、纺丝电压以及收集距离对TPU/PAN复合纳米纤维滤膜的纤维表面形貌与覆膜牢度的影响。最终确定最佳纺丝工艺参数为:TPU/PAN混合比例3:1,纺丝电压45k V,收集距离19cm。（4）基于最佳工艺参数对TPU/PAN复合纳米纤维滤料展开综合性能分析。首先,对TPU/PAN复合纳米纤维滤料的吸收谱带进行分析,证明了TPU和PAN成分的存在。然后,对复合滤料的滤效与滤阻进行检测,发现复合滤膜变厚,有助于滤效的提升,同时也造成了滤阻的增长。复合滤膜的厚度过大或过小均无法满足空气过滤的使用需求,通过计算品质因子找到了过滤性能最佳的复合纳米纤维滤料。接着,对复合滤料的孔径与孔隙率进行分析,发现复合滤膜的厚度与孔径呈负相关,与孔隙率呈正相关。当复合滤膜逐渐变厚,其孔隙率的上升速率将渐渐放缓。其次,对复合滤料的透气量进行分析,发现复合滤膜变厚,滤料的透气量将减小。最后,对复合滤膜进行热重分析,确定TPU/PAN复合纳米纤维滤料在280℃以内的温度中具有良好的热稳定性。
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