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    抗變形聚丙烯腈/聚砜二元結構復合膜用于有效的空氣過濾

     
    發布日期:2018-09-29
     

    雖然時至今日,許多高分子已成功的通過靜電紡絲加工成了納米纖維膜,或者復合納米纖維膜,被應用在了空氣過濾方面。但是,在大多數情況下,由于纖維組成的空腔結不穩定,納米纖維膜的組織結構的強度未能達到實際應用的要求。在實際應用中對抗高空氣流速帶來的應力,保持納米纖維結構是確保納米纖維膜功能有效的基本要求但也是非常難有挑戰性的。

    東華大學丁彬教授和他的團隊展示了一種穩定的,低能耗的使用靜電紡絲來制備PEO@PAN/PSU的二元結構用于空氣濾芯的方法。該研發是使用蓬松的PSU微米纖維和極細的PAN納米纖維來作為纖維過濾膜的結構,同時在結構中使用PEO形成粘結結構來裝配成一種小孔徑,小密度的穩定的納米纖維過濾材料。合成的PEO@PAN/PSU復合膜具有孔徑小,孔隙率高,力學性能好(8.2MPa)的綜合特點,過濾效率高達99.992%,低壓降95Pa。更重要的是,它成功的消除了在高流速空氣過濾的壓力下以外結構崩潰所造成的的潛在安全隱患。PEO@PAN/PSU的過濾材料不僅使其成為PM2.5治理的一個有潛力的候選者,而且為設計和開發適用于各種應用的穩定多孔膜提供了一個通用策略。

          首先將PAN與PEO溶于水中在40℃下攪拌合成9wt%PAN/1.5wt%PEO 水溶液。另外將PSU在室溫下溶于DMF中攪拌合成22wt% PSU/DMF溶液。圖1展示了通過多噴嘴混合靜電紡絲制備PEO@PAN/PSU復合纖維過濾材料的典型過程。對于PEO@PAN/PSU的復合膜,PAN/PSU射流比保持為3/1。此外,還在針頭上安裝了電子屏蔽裝置,以確保噴射流向前飛行。因此復合纖維均勻沉積在收集板上。所有樣品均在100℃真空條件下干燥1小時用于除去殘余溶劑和電荷。特別是PEO@PAN/PSU膜在加熱過程中,PEO的物理熔化和凝固形成了粘粘結構來提高結構強度。所制備的PEO@PAN/PSU復合纖維膜具備以下3個優點: (1)膜的纖維直徑和孔徑足夠小來有效的過濾微小顆粒;(2)復合膜具有高孔隙率,小密度的特性;(3)復合膜的纖維必須組成成均勻的未定的3D結構來長期對抗高空氣流速下的變形應力。前兩個要求通過精細的控制多噴頭的靜電紡絲工藝來滿足,使得細直徑的PAN納米纖維和多孔的PSU微米纖維能夠均勻的組裝成孔徑小,填料密度低的膜。為了滿足第三個條件,他們采用了低熔點的PEO作為一種新型的粘結劑,制備出了具有良好物理學性能的多孔結構。

    在PEO熔融凝固過程中,相鄰纖維間形成粘結結構。隨著PEO濃度的增加(從0.5wt% - 1.5wt%),點形粘結結構的數量急劇增加,而纖維直徑幾乎保持不變。進一步將PEO濃度提高到2wt%,形成了帶狀粘結結構。這種變化可能是粘結劑含量過高的結果,當加熱PEO到熔融點時,PEO可以沿著纖維流動,并在凝固過程中把相鄰的平行的納米纖維拉在一起。與預期一樣,用于構建穩定蓬松結構的纖維結合策略也大大提高了PEO@PAN/PSU復合膜的力學性能。


    圖1  一個抗變形的PEO@PAN/PSU納米纖維高效空氣過濾復合膜的制作過程示意圖。

    縱觀空氣過濾材料,如玻璃纖維,熔噴材料,靜電紡絲納米纖維等高性能的纖維材料已經廣泛的在生產和實驗中引起了重視,尤其是前兩種材料是實際空氣過濾材料的主流。將PEO@PAN/PSU復合纖維膜在90L/min的空氣流速下與其他的過濾材料性能相比較,玻璃纖維具有高過濾阻力的缺點,熔噴材料有著過濾效率隨著表面電荷流失衰減快的缺點。

          在這些主流過濾材料中,新型的PEO@PAN/PSU復合材料性能脫穎而出,因其超輕的重量3.5g/m2,具有優秀的抗變形能力,在90L/min氣流下具有優異的穩定過濾性能,包括9.9986% 的高過濾效率和290Pa的壓降。另外PEO@PAN/PSU復合纖維膜相對于玻璃纖維(28g/m2)還具有42g/m2的較高的容塵量。

     
     
     

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