静电纺聚酰亚胺纳米纤维复合空气过滤材料的制备

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随着中国经济的发展,工业煤炭、石油等化石能源使用量剧增,导致空气污染问题越来越严重,雾霾天气频发,严重影响了人们的身体健康,同时给人们的正常生活带来诸多不便。众所周知,雾霾的主要成份为PM2.5,主要来源之一是含尘烟气。有效控制PM2.5的排放,减少甚至消除雾霾天气,需要从源头上提高含尘烟气的净化效率。袋式除尘法是含尘烟气净化的主要方法之一,该方法对小颗粒粉尘的过滤效率可达到99.5%以上,已在除尘过滤领域得到了广泛的应用。袋式除尘器的过滤性能主要受滤料的影响,根据过滤理论分析,滤料过滤效率随纤维直径的减少而增加,因此纳米纤维在空气过滤方面的应用越来越多,但将纳米纤维应用于工业高温含尘烟气过滤的相关研究极少。  为将纳米纤维应用于工业过滤中,得到耐高温、高效低阻纳米纤维复合滤料,本研究选择静电纺丝技术制备耐高温聚合物-聚酰亚胺纳米纤维,进行了如下研究工作:  首先,确定制备聚酰亚胺(P84)纳米纤维的纺丝条件。通过对比不同湿度、温度下纤维制备过程及所得纤维直径分布、纤维形貌等性质,确定了不同湿度条件下所用溶剂。室温条件下,相对湿度<30%时使用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂,相对湿度>35%时,使用N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂。使用DMF作为溶剂,配制不同浓度的纺丝溶液,研究了溶液质量浓度、电导率、粘度、表面张力及溶剂性质对纳米纤维的影响,确定了合适的纺丝液。调节纺丝电压、接收距离、供液速度等加工参数,确定了不同工艺条件对纺丝稳定性及纤维性质的影响。依据以上结果,选择纺丝溶液质量浓度在9%~15%范围内,纺丝正电压8~15 kV,纺丝负电压0~2 kV,供液速度0.08~0.4 mm/min(2.5 ml注射器),接收转辊转速5m/min,供液装置左右平移速度0.5 m/min,接收距离9~12 cm。  其次,制备了三明治结构纳米纤维复合过滤材料。选择以克重260~350 g/m2的芳纶无纺布为基底支撑层,克重40~60 g/m2的耐高温无纺布为保护层。对比不同纤维粘合方法,选择胶粘法作为粘结固体纤维滤料的方法。为有效控制粘合剂使用量,使粘合剂在基底上均匀喷涂,本论文使用静电喷雾的施胶方式将高温粘合剂均匀涂布在基底层上,通过静电纺丝将直径在100~500 nm的可溶性聚酰亚胺(P84)纳米纤维均匀纺制在此基底上,在纳米纤维表面附上保护层,采用热压固化的方法使三层材料紧密结合,得到三明治结构的耐高温纳米纤维复合过滤材料。测试材料粘结强度,发现施胶超过90 min时,复合滤料粘结强度>1000 kPa,能够满足工业滤布强度要求。测试含不同粘合剂量、纳米纤维量复合滤料的初始过滤阻力、孔径分布等参数,发心粘合剂对基底本身性能影响较小。  最后,使用粒径0.3~10μm的NaCl颗粒模拟气溶胶过滤,通过气溶胶粒径谱仪检测过滤前后不同粒径粒子的分布及粒子数,从而得到不同复合滤料的过滤效率,结果发现,少量的纳米纤维就可以有效提高材料的过滤效率,使2.0μm以上颗粒过滤效率达100%,1.0μm-2.0μm的颗粒过滤效率达到99.5%以上,而过滤初始阻力低于100 Pa,为纳米纤维应用于工业粉尘过滤提供了可行性的解决方案。预计可用于工业袋式除尘,过滤<240℃的含尘烟气。
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