静电纺芳纶纳米纤维耐高温过滤材料的开发与应用

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在工业生产中会排放出很多成分复杂,温度高且有毒的颗粒污染物,人体长期吸入这些污染气体会产生各种呼吸道疾病。传统的高温过滤材料(聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃纤维、聚酰亚胺等)由于过滤精度低、阻力高、加工工艺复杂、成本高等缺点,不能满足当前工业过滤的需求。针对以上提出的关于高温污染气体的处理问题,本研究以废弃芳纶边角料为原料,制备了芳纶纳米纤维耐高温过滤材料,并对其相关性能进行了分析研究。本文开展的主要工作及所得结论包括以下几个方面:(1)首先,以废弃芳纶无纺布边角料为原料制备了常规尺度的芳纶纳米纤维,纤维直径为112±38 nm,并研究了其在不同空气流速下的过滤性能。接着基于高电导率稀溶液纺丝制备了芳纶超细纳米纤维,纤维直径仅为17.87±8 nm。研究结果表明:在气流速度为32 L/min时,常规尺度芳纶纳米纤维对粒径为0.3μm的Na Cl气溶胶颗粒的过滤效率为99.15%,压力降为85.39 Pa。(2)为了进一步提高芳纶纳米纤维的过滤效率,制备了不同比例的粗细芳纶纳米纤维复合的多尺度芳纶纳米纤维高温过滤材料。研究结果表明:当粗细纤维比例为2:2时,过滤材料各项性能最佳,具有良好的力学性能和热稳定性(可达340℃);断裂强度为61.778 MPa有着良好的力学性能;空气流速为32 L/min时,对Na Cl气溶胶的过滤效率为99.87%,过滤压力降为88.39 Pa;在300℃下,多尺度芳纶纳米纤维膜对于对0.3μm的颗粒的过滤效率≥98.05%。(3)为了进一步降低过滤阻力,本研究通过冷冻干燥的方法构建了芳纶纳米纤维增强的三维结构的PI-PMIA气凝胶过滤材料,进一步提高优化芳纶纳米纤维过滤材料的过滤性能。结果表明:当芳纶纳米纤维含量为0.65%时,PI-PMIA气凝胶的孔隙率高达97.35%,过滤性能最佳,为99.93%,过滤压降仅为71.31 Pa;在300℃条件下,对于粒径≥0.3μm的颗粒时,过滤效率为98.22%,对粒径≥2.5μm的拦截效率高达99.85%。由此可见,本研究构建的多尺度芳纶纳米纤维膜和芳纶纳米纤维增强的PI-PMIA气凝胶在高温过滤领域具有广阔的应用前景。
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