静电纺构筑多形貌纳米纤维空气过滤膜的研究进展.pdf
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1、随着人们对空气质量问题的日益关注,高性能空气过滤材料逐渐成为研究热点。静电纺纳米纤维具有高比表面积、直径小、制备简单及形貌结构可控性,被认为是空气过滤领域中最具有开发潜力的材料之一。文章综述了近年来静电纺纳米纤维膜在空气过滤中的最新研究进展,系统介绍了粗糙、多孔、串珠、蛛网、褶皱、三维等结构纳米纤维的制备原理,分析和讨论了纳米纤维膜结构对过滤材料综合性能的影响,最后提出了静电纺纳米纤维膜作为空气过滤材料面临的挑战,并对其发展趋势和研究方向进行了展望,为未来制备高性能静电纺纳米纤维过滤膜提供思路。关键词:静电纺丝;纳米纤维;空气过滤材料;纤维结构中图分类号:文献标志码:,(,;,;,;,;,;,
2、):,第 卷 第 期 年 月毛纺科技 ,:;近年来,随着工业化和城市化进程的加快,空气污染问题越来越严峻,对大气环境和人类健康构成了威胁,其中颗粒物()是最主要的空气污染源之一,主要来源于工业排放、汽车尾气、矿物粉末等,化学成分主要有硅酸盐、硫酸盐、硝酸盐、铵盐等吸水性较强的污染物。颗粒物()按粒径(单位)进行分类,一般分为、。低于 的颗粒物可直接吸入人体肺部,更严重的是微细颗粒物具有大的比表面积,能携带大量细菌、病毒、花粉和其他过敏原等进入人体呼吸道系统,引起呼吸道炎症并对免疫系统造成伤害,易诱发癌症、缺血性心脏病、慢性阻塞性肺病和神经系统紊乱等疾病,严重危害人们的健康。目前,除了通过减少排
3、放来降低颗粒物污染之外,颗粒物过滤净化技术是应用最广泛的方法之一。当前空气过滤技术可分为静电除尘技术和滤网过滤技术。静电除尘技术利用放电技术可主动捕获颗粒物,但其容尘量较低,对微细颗粒物(如)的过滤效果非常有限,此外在粉尘捕集过程中,易造成尖端放电,不仅存在一定的安全隐患,还会产生二次污染物臭氧。而滤网过滤技术因其材料种类多、结构可控、应用范围广等优势,成为目前空气过滤领域的主流发展方向。目前市面上的滤网材料中,使用最为广泛的是纤维材料,如非织造布、熔喷驻极纤维与玻璃纤维等。普通非织造布制备技术成熟且成本低,但纤维直径粗、孔径大、过滤效率低;熔喷驻极纤维直径为微米级,对 过滤性能高,气阻低,但
4、纤维通过二次充电获得的驻极性能易失效;玻璃纤维对颗粒物过滤效率高,但纤维堆积结构导致气阻高且纤维过脆,力学性能较差。近年来,纳米纤维备受关注,由于其直径小、比表面积高,成膜后孔径小且孔隙率高,可实现超细颗粒物的高效过滤与良好的空气流通性,被认为是空气过滤领域中最具有商业开发潜力的材料之一。静电纺丝技术是目前制备纳米纤维常用的方法,可将不同种类的可纺聚合物通过简单的纺丝工艺制备出纳米纤维,因此基于静电纺技术开发空气过滤膜已成为近几年的研究热点,截至目前为止,在 平台数据库中,以“”“”“”“”为关键词检索的论文有 多篇(年),在中国知网上检索的专利有 项,且研究数量逐年上升。目前静电纺丝技术已突
5、破常规单一的纳米纤维结构,开发了粗糙、多孔、蛛网等特殊形貌的纳米纤维。本文综述近年来静电纺纳米纤维膜在空气过滤中的最新研究进展,系统介绍粗糙、多孔、串珠、蛛网、褶皱、三维等结构纳米纤维的制备原理、过滤机理及其在空气过滤中的应用,并对不同结构纳米纤维过滤膜的性能进行对比,最后讨论了其未来面临的挑战和发展前景。静电纺纳米纤维 静电纺丝是将聚合物溶液或熔体放置于强静电场中,调整适应的温度与湿度,当电压升高到一定值时,液滴在纺丝喷头上会被拉伸成泰勒锥并形成极细射流,高速飞向收集器,经溶剂蒸发或熔体冷却固化后,获得超细纤维,直径最小可达到 。静电纺丝的主要装置包括高压电源、接收器、注射器、计量泵、喷丝头
6、等,该方法具有设备简单、操作方便、制备成本低等特点,是目前获得纳米纤维膜常用的制备方法。通过静电纺丝方法可以制备出多种形貌的纳米纤维,如粗糙、多孔、串珠、蛛网、褶皱、三维气凝胶等形貌(见图)。常见的光滑纳米纤维拦截颗粒物的摩擦力相对较小,且在堆积时易形成紧密结构,增加空气阻力,较难达到过滤性能的平衡。高效过滤机制与纤维结构 高效过滤机制 纤维凭借拦截效应、布朗效应、惯性效应和静电效应来捕获颗粒物,过滤性能主要取决于纤维直径、气流路径与粒径大小(见图)。纤维表面形貌能直接影响整体的过滤性能,传统静电纺单根纳米纤维多为圆柱体,可通过改变纤维表面形貌,构造特 毛纺科技 第 卷 第 期 年 月图 多形
7、貌纳米纤维 殊结构,实现过滤材料的高滤低阻性能。除了单纤维表面结构调控外,纤维的排列与堆积形式对过滤性能的影响也尤为明显,纤维和纤维之间的孔径和孔道分布会决定气流中颗粒物流动的方向。目前许多聚合物材料已成功静电纺丝成不同结构的纳米纤维膜并应用到空气过滤领域,如聚丙烯晴()、聚氨 酯()、聚 酰 亚 胺()、聚 偏 二 氟 乙 烯()、聚酰胺()等。聚合物与相应纤维结构见表。图 纳米纤维过滤机制 表 聚合物与相应纤维结构 序号纤维结构常见适用聚合物粗糙结构、聚环氧乙烷()、多孔结构聚 乳酸()、聚苯乙烯()、串珠结构、聚乳酸()、热塑性聚氨酯()蛛网结构聚丙烯酸()、聚酰胺()、聚乙烯醇()、褶
8、皱结构、聚己内酯()三维气凝胶、高效过滤纳米纤维的结构研究 粗糙结构纳米纤维 增加纤维比表面积有利于拦截颗粒物,通过掺杂方式可使纳米纤维表面形成粗糙结构,从而实现纳米纤维膜对颗粒物的高效过滤。掺杂的物质通常为纳米颗粒,其中无机驻极体尤为常见,其不仅能增加纤维的比表面积,还能借助电荷主动捕获颗粒物,进而提高纤维膜的过滤性能,如二氧化硅()、聚四氟乙烯()、勃姆石()、钛酸钡()、氮化硅()等。是最常使用的无机驻极体颗粒,相比勃姆石、氮化硅、钛酸钡,其电荷衰减更慢。等在静电纺 纳米纤维膜表面引入 纳米颗粒,改 善 纤 维 表 面 粗 糙 度,增 加 了 有 效 表 面 积(图(),膜的过滤性能得到
9、提升,在 个过滤测试循环后,对 过滤效率保持在至少 左右,最高值接近,同时不会增加气阻。贾琳等制备了 复合驻极纳米纤维膜,与纯 纳米纤维滤膜相比,具有更优的过滤性能,在 气流下,的过滤效率为 ,气阻为 。等将、二氧化钛()种驻极体分别掺杂到 膜上进行对比,掺杂 的 膜具有更细的纤维(均值为 ,图()和良好的力学性能,且在 后仍然保持 的高电位,其应用在窗纱中,在 的低面密度下对 仍保持高过滤效率()和低气阻()。驻极体也被应用在静电纺空气纳米纤维膜上,等在成膜后通过高温煅烧去除 获得表面有粗糙结构的全氟聚合物 纳米纤维膜(图(),测试结果显示该膜具有较高的电荷存储和静电感应能力,在低气阻()和
10、高质量因子()下的 去除效率为 ,将该膜组装成保健口罩放置在温度 与湿度 的室内模拟恶劣环境测试,结果显示 后过滤性能依然稳定。等制备 复合纳米纤维膜,气流为 时,对 的过滤效率达 ,气阻为 。图 纳米纤维过滤膜粗糙结构,();();()与普通纳米纤维膜相比,表面粗糙的纳米纤维膜具有更高的过滤性能,这些粗糙结构可以提高纤维比表面积,尤其表面是驻极粒子,还能带电荷主动捕获颗粒物。粗糙结构纳米纤维膜利用物理拦截和静电吸附双重效应对颗粒物进行过滤,同时能使孔第 卷 第 期 年 月毛纺科技 道复杂化,提高纤维之间紧密堆积的空气流通性,进而平衡过滤效率与气阻之间的关系。多孔结构纳米纤维 多孔结构能增加纳
11、米纤维的比表面积,用于吸附微细颗粒物或有害气体。目前纤维成孔的方法有自发成孔和后调控成孔,自发成孔是指在静电纺丝过程中改变外部环境而引起聚合物和溶剂相分离或溶剂挥发而形成的孔洞;后调控成孔是指在纳米纤维基础上做后处理,除去某些固相成分而形成多孔结构。等采用后调控成孔方法,利用丙酮处理使 聚合物链再结晶并生成开花的多孔结构(见图(),多孔 纳米纤维膜对 的过滤效率可达 以上,气阻为 。等采用相同方法,利用溶剂诱导聚对苯二甲酸乙二醇酯()纤维形成多孔结构,对 和蛋白质具有较高捕获能力。等通过“一步”静电纺丝法,将具有微孔的 晶体填充到每根 纳米纤维(见图(),分级多孔纳米纤维膜可有效去除 和 气体
12、,在室温和湿度 的环境下,对 气体吸附能力为 ,此外,的引入,增强了纤维膜对 静电作用,过滤效率可达 ,气阻仅为 。该研究团队还采用自发成孔方法制备含二氧化锰的聚苯乙烯多孔纳米纤维(),可控制分级多孔结构(见图(),甲醛气体易渗透到纤维的孔道中与 接触,去除率达 ,同时 增加了纤维膜的比表面积,提高了对 过滤性能(),气阻仅为 。图 纳米纤维过滤膜多孔结构,();();()多孔纳米纤维膜利用高比表面积和高孔隙率来捕获空气中的微小颗粒物,除了良好的过滤性能外,纤维上的多孔结构使纳米纤维膜还具有较强的吸附性,能够过滤空气中的有害气体。目前,通过静电纺丝技术制备的多孔纳米纤维膜可用做商业空气净化材料
13、。串珠结构纳米纤维 串珠结构纤维的形成主要是黏度、表面张力和静电斥力的综合结果,由于纺丝液浓度过低,导致纺丝液的黏度以及表面张力较小,在静电纺丝过程中液柱所受的静电力远大于其表面张力,因此液柱在极短时间内无法被快速拉伸抽细而直接被拉断飞出,形成不规则梭形串珠结构。存在串珠结构的纳米纤维膜具有优异的空气过滤性能,一方面串珠结构可以减少膜的孔径,增大膜与颗粒物碰撞的面积,从而加强拦截效率;另一方面串珠结构可以增大相邻纳米纤维之间的空间,降低纤维堆积密度,从而减小气流的摩擦,降低气阻。等通过调整 浓度和环境湿度条件,用静电纺丝方法成功制备了具有串珠结构的纳米纤维,在 的气流速度下,实现了对 达到 以
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