电纺纳米纤维浸润性调控及其颗粒物分离性能研究

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随着现代工业的快速发展,严重的大气污染特别是颗粒物(PM)污染,已经成为全球公认的亟待解决的环境问题。纤维类过滤器由于其具有材料选择多样性、低成本、低质量高密度、低压多孔以及制备简单等优点,在空气中PM污染物的去除方面极具应用前景。在实际应用中,由于操作环境的复杂性,尤其是高PM浓度、高湿度、高温等严苛条件下,会造成纤维类薄膜过滤器的过滤性能下降。因此,开发高性能、高稳定性并能适应于不同操作条件下的过滤材料,对于PM污染物的去除具有重要意义。静电纺丝作为一种可制备具有纳米级别直径的连续纤维同时其生产方法相对简单而广为人知。基于此,本文中通过引入低表面能的聚合物和纺丝模板聚合物混纺,制备了几种具有超浸润性能的电纺纳米纤维材料,并系统研究了其在不同PM浓度、湿度、高温等严苛条件下的PM去除性能。主要研究内容如下:(1)在第一部分,以低表面能聚二甲基硅氧烷(PDMS)和易电纺高聚合物疏水聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为单体,通过静电纺丝法一步混纺制备具有超疏水性能的高颗粒物分离效率的纳米纤维薄膜EPPM。EPPM具有350 nm的超细直径,161.6°的高疏水角,可耐325℃的高温,是一种理想的在恶劣环境下具有高颗粒物分离性能的纤维过滤器。EPPM在高湿度(RH=96±3%)条件下,仍可对PM2.5具有接近100%的分离,并且压降只有70 Pa,仅有大气压的0.07%。(2)在第二部分,调控纺丝前驱液材料的选择,添加韧性耐磨材料聚氨酯(TPU),将PDMS、PMMA、TPU三者进行混纺制备得到具有高机械性能的超疏水电纺纳米纤维薄膜P-ETPM。P-ETPM不仅具有约350nm的超细直径,164°的超疏水角,由于TPU是一种阻燃材料,P-ETPM在300℃下质量几乎没有多少损失,是一种优异的耐高温纤维材料,并且其机械性能可达到3.76 MPa,拉伸断裂应变可达400%。同时,P-ETPM对PM2.5的过滤效率仍可大于99%,是一种优异的高效颗粒物分离超疏水电纺纳米纤维。(3)在第三部分,以聚乙烯醇(PVA)为纺丝模板,通过静电纺丝技术将无机硅颗粒溶液纺备成纤维直径仅有80 nm的薄膜,通过马弗炉800℃煅烧除去作为模板剂的PVA,并通过聚偏氟乙烯-六氟丙烯和1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷的浸渍改性,可以得到超疏水超疏油具有超双疏性质的改性电纺纳米二氧化硅纤维薄膜F-SiO2 e-NFM。F-SiO2 e-NFM对水和低表面能有机溶剂如煤油、甲苯等都有大于150°的接触角,并且在1000℃的高温燃烧下,几乎没有发生形变或者质量损失。同时其在高湿环境下对PM2.5的分离效率也几乎为100%,是一种特别具有实际应用潜力的高效颗粒物分离电纺超双疏纳米阻燃纤维薄膜。
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