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潔凈空氣既是生命活動不可缺少的重要元素,亦是人類社會可持續(xù)發(fā)展的必要條件。然而,近年來隨著人口的急劇增多和工業(yè)的快速發(fā)展,空氣中的顆粒物污染現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,人們賴以生存的環(huán)境每況愈下。全球約91%的人口居住在沒有達(dá)到世衛(wèi)組織空氣質(zhì)量指南水準(zhǔn)的地方,中國337個城市中有180個城市的環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)??諝庵写罅靠諝鈩恿W(xué)當(dāng)量直徑小于2.5μm的顆粒物(PM2.5)因其粒徑小的結(jié)構(gòu)特點,易于攜帶大量有毒物質(zhì),并且可以穿透人體器官沉積在肺部或進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng),從而引發(fā)癌癥、心血管疾病以及大量的慢性疾病,嚴(yán)重威脅人類的身體健康,僅2016年全世界有近700萬人因空氣污染而過早死亡。此外,空氣中高濃度的顆粒物引發(fā)的嚴(yán)重霧霾污染現(xiàn)象不僅大幅降低了大氣的能見度,影響地球氣候條件,破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡,還會導(dǎo)致嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。因而,亟需加強對空氣中顆粒物污染現(xiàn)象的治理。
纖維類空氣過濾材料因性價比高、易于量產(chǎn)、可加工性好等特點而成為主流的空氣過濾材料。目前市場上常見的纖維類空氣過濾材料主要有熔噴駐極微米纖維空氣過濾材料和超細(xì)玻纖微米纖維空氣過濾材料。熔噴駐極空氣過濾材料因其駐極電荷產(chǎn)生的強靜電吸附作用,可在孔徑較大時實現(xiàn)對超細(xì)顆粒物的積極捕獲,從而具有高效低阻的特性。然而,其駐極電荷易受濕熱環(huán)境的影響而迅速衰減,從而導(dǎo)致過濾效率急劇下降,引發(fā)安全問題。
超細(xì)玻纖空氣過濾材料具有直徑細(xì)、孔徑小的特點,可在一定程度上提升對PM2.5的物理攔截作用,但其纖維表面光滑,導(dǎo)致材料堆積致密,空氣阻力較大。同時玻纖的模量大,使用過程中易脆斷脫落,引發(fā)二次污染現(xiàn)象。與傳統(tǒng)微米纖維相比,靜電紡納米纖維空氣過濾材料具有直徑細(xì)、孔徑小、孔道連通性好等特點,使其對空氣中PM2.5的過濾效率有了明顯的提升。然而,其亞微米/微米尺度的纖維直徑(通常0.2μm~2μm)導(dǎo)致其對空氣中具有最易穿透粒徑約300nm的顆粒物(PM0.3)的過濾效率較低。
納米蛛網(wǎng)是一種具有納米尺度纖維直徑(<50nm)和加權(quán)斯坦納樹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)小孔徑(100nm~500nm)的二維網(wǎng)狀纖維材料,其納米尺度的纖維直徑可賦予材料顯著增強的空氣滑移效應(yīng),其亞微米尺度的孔徑可實現(xiàn)對空氣中顆粒物的有效篩分?jǐn)r截,在空氣過濾領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,當(dāng)前所制備的納米蛛網(wǎng)空氣過濾材料在低纖維沉積量時蛛網(wǎng)覆蓋率低,多層沉積后材料堆積致密,壓阻急劇增大,僅依靠材料小孔徑的物理篩分作用,面臨過濾性能難以進(jìn)一步提升的瓶頸。
為此,本文通過對二維納米蛛網(wǎng)空氣過濾材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控和表面性質(zhì)設(shè)計,采用新型靜電噴網(wǎng)技術(shù),并將其與原位自聚合、原位駐極、靜電紡絲等多元技術(shù)相結(jié)合,制備得到了蛛網(wǎng)覆蓋率高、堆積蓬松且表面吸附性強的極細(xì)二維納米蛛網(wǎng)空氣過濾材料,拓展了納米蛛網(wǎng)材料的種類,增強了其對空氣中超細(xì)顆粒物的物理攔截與表面吸附作用,大幅提升了蛛網(wǎng)材料的綜合過濾性能。
(1)以高偶極矩、高介電性聚合物聚丙烯腈(PAN)為原料,基于“離子-偶極相互作用”的荷電增強機(jī)制,通過在低導(dǎo)電性PAN溶液中引入陽離子型四丁基氯化銨(TBAC)誘導(dǎo)劑,并利用濕度誘導(dǎo)靜電噴網(wǎng)技術(shù),首次制備出具有蓬松結(jié)構(gòu)的PAN納米蛛網(wǎng)空氣過濾材料。其具有直徑細(xì)(約20nm)、孔徑小(約300nm)、蛛網(wǎng)覆蓋率高、堆積密度低(0.18g cm–3)、表面極性吸附性強(偶極矩4.3D)的特點。分析了TBAC誘導(dǎo)劑及環(huán)境濕度作用下PAN納米蛛網(wǎng)的液滴噴射-相分離成型機(jī)制,構(gòu)建了相對濕度與PAN荷電液滴相分離間關(guān)系的預(yù)測模型。在此基礎(chǔ)上,探究了不同TBAC含量以及相對濕度條件下制備得到的納米蛛網(wǎng)膜的形貌以及孔結(jié)構(gòu)和堆積結(jié)構(gòu),構(gòu)建了不同結(jié)構(gòu)纖維過濾膜的三維結(jié)構(gòu)模型并對其顆粒捕集過程和空氣阻力分布狀態(tài)進(jìn)行了模擬,系統(tǒng)研究了蓬松PAN納米蛛網(wǎng)膜的過濾性能以及實際應(yīng)用性能。該兼具物理攔截與極性吸附作用的蓬松PAN納米蛛網(wǎng)空氣過濾材料可高效(>99.97%)低阻(95.5Pa)過濾超細(xì)顆粒物PM0.3,同時兼具PM2.5長效循環(huán)凈化性能。
(2)將混合靜電噴網(wǎng)技術(shù)和原位自聚合方法相結(jié)合,制備出了兼具小孔徑與表面濕粘附性的仿生PAN/聚多巴胺(PDA)納米蛛網(wǎng)空氣過濾材料。通過在前驅(qū)體溶液中引入仿貽貝粘附分子多巴胺(DA),促進(jìn)了荷電液滴的噴射和相分離,進(jìn)而結(jié)合DA分子的自聚合反應(yīng),獲得了兼具2D蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與優(yōu)異濕粘附表面的納米蛛網(wǎng)材料。該材料具有直徑細(xì)(約27nm)、孔徑?。?.28μm)、孔隙率高(>92%)、表面粘附性能優(yōu)異、力學(xué)性能好等特點,在高濕條件下的顆粒物去除方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。重點研究了溶液中DA含量對納米蛛網(wǎng)形貌結(jié)構(gòu)的影響,探究了PDA濕粘附功能層在纖維表面的分布狀態(tài),分析了PAN/PDA納米蛛網(wǎng)材料的物理結(jié)構(gòu)、表面性能以及力學(xué)性能,系統(tǒng)研究了該仿生濕粘附納米蛛網(wǎng)材料的過濾性能。結(jié)果表明,該材料在高濕條件下仍可實現(xiàn)對PM0.3的高效(99.996%)低阻(108Pa)過濾,同時具有高濕條件下的過濾性能穩(wěn)定性和長效使用性。
(3)以聚偏氟乙烯(PVDF)為原料,利用原位駐極靜電噴網(wǎng)技術(shù)制備出了一種高效自極化駐極納米蛛網(wǎng)空氣過濾材料。通過原位離子摻雜的前驅(qū)體溶液調(diào)控手段,實現(xiàn)了泰勒錐尖端荷電密度的有效控制和荷電液滴的噴射;同時利用靜電噴網(wǎng)過程中高壓電場的極化/牽伸作用,促進(jìn)了PVDF分子中偶極子的取向排列,實現(xiàn)了其分子鏈晶相由非極性α型向極性β型的轉(zhuǎn)變,提升了極化電荷的生成概率,獲得了蛛網(wǎng)覆蓋率高、表面電勢強(6.8k V)、孔徑?。?.26μm)的長效自極化駐極PVDF納米蛛網(wǎng)空氣過濾材料。重點對比了聚合物本體結(jié)構(gòu)對其在高壓電場中自極化能力的影響,探究了納米蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)與其分子晶相轉(zhuǎn)變之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),分析了蛛網(wǎng)覆蓋率對纖維膜理化結(jié)構(gòu)及應(yīng)用性能的影響,系統(tǒng)研究了過濾膜的過濾性能和透光性能。結(jié)果表明,該駐極納米蛛網(wǎng)材料在僅為常規(guī)微米纖維濾材1/100的克重下即可實現(xiàn)99.998%的PM0.3去除效率,壓阻僅為93Pa,同時兼具長效PM0.3去除能力和高透光性(透光率84%)。
(4)通過靜電紡絲和靜電噴網(wǎng)技術(shù),制備得到了具有梯度孔結(jié)構(gòu)的聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)纖維/PVDF蛛網(wǎng)復(fù)合過濾膜。利用靜電紡絲過程中水分子簇和溶劑分子間的雙擴(kuò)散作用,增大了射流內(nèi)外部固化速率的差異,獲得了表面粗糙的褶皺PVDF-HFP亞微米纖維,實現(xiàn)了纖維膜中微納多級多孔結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)筑。在此基礎(chǔ)上,利用靜電噴網(wǎng)技術(shù),基于陽離子表面活性劑的引發(fā)作用,促進(jìn)了荷電液滴的噴射與相分離,制備得到了具有納米尺度直徑(約20nm)與斯坦納樹結(jié)構(gòu)小網(wǎng)孔(約300nm)的PVDF駐極納米蛛網(wǎng)核心過濾層,獲得了兼具多級梯度攔截與靜電吸附作用的復(fù)合納米蛛網(wǎng)空氣過濾材料。研究了水分子簇和溶劑分子間的雙擴(kuò)散作用對褶皺纖維形貌結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律,分析了納米蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的成型機(jī)制,制備得到了高蛛網(wǎng)覆蓋率的納米蛛網(wǎng)核心過濾層,系統(tǒng)研究了梯度復(fù)合過濾膜的過濾性能及輻射制冷性能。結(jié)果表明,該復(fù)合膜具有優(yōu)異的綜合過濾性能(品質(zhì)因子:0.12Pa–1),且兼具輻射制冷功能。
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納米纖維及其應(yīng)用