静电驻极无机颗粒掺杂PVDF电纺膜制备及其在PM2.5防护中的应用

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近年来,PM2.5的源头治理及其防护手段成为解决空气污染问题的研究热点。当空气中的PM2.5超过一定数量时,可以对人体的健康造成严重的损伤,引发心血管疾病、呼吸道疾病等;另外,PM2.5中的某些颗粒对电力运输设备上的绝缘材料有一定腐蚀作用。长期暴露在空气污染严重的环境中,对材料的使用性能有重大的影响。目前,用于空气过滤的材料主要是驻极体非织造布和静电纺丝纳米纤维膜。但是非织造布存在着孔径大、厚度较大等问题,而通过静电纺丝制备的纳米纤维膜,有着孔径小、孔隙率高、质量轻等优势。本课题采用无机驻极体材料,通过静电纺丝技术制备纳米纤维膜。之后,使用电晕充电设备制备高效低阻的静电驻极电纺膜空气过滤材料。本课题使用具有长期电荷储存能力的聚偏氟乙烯(PVDF)为原料,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,无机纳米颗粒为驻极体材料,通过静电纺丝技术制备掺杂无机纳米颗粒的纳米纤维膜。使用扫描电子显微镜、水接触角仪、强力测试仪、静电测试仪、过滤设备等表征纳米电纺膜的各种性能。确定了PVDF-TiO2电纺膜的最佳掺杂量为5%和PVDF-TiO2/Si3N4电纺膜中Si3N4的最佳含量为20%。探讨了无机纳米颗粒的加入对PVDF电纺膜的纤维形貌、孔径结构、表面疏水性、机械性能、表面电势、过滤性能等的影响。当TiO2掺杂量为5%时,这时电纺膜的水接触角最大(122.3°),表面电势达到最大(-9kV)。在85L/min空气流速下,过滤性能最佳(过滤效率98.627%,过滤阻力88Pa)。在无机纳米颗粒掺杂量为5%的前提下,其中Si3N4的含量为20%时,这时电纺膜的疏水性最好(接触角为128.7°),并且表面电势达到最大值(-10kV),PVDF-TiO2/Si3N4纳米纤维膜的过滤效率为99.024%、过滤阻力为90Pa。此外,本课题进一步分析克重对电纺膜过滤性能的影响。确定了PVDF-TiO2纳米纤维膜过滤性能最佳的克重值为2.2g/m2左右,此时的过滤效率为99.192%,过滤阻力为90 Pa。确定了PVDF-TiO2/Si3N4纳米纤维膜过滤性能最佳的克重值为2.67g/m2左右,此时的过滤效率为99.724%,过滤阻力为92Pa。
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