纳纤维材料的结构设计及性能研究

学校学校代码代码：10255学号：1109186东华大学东华大学博士学位论文博士学位论文DoctoralDissertationofDonghuaUniversityPM2.5空气过滤用静电纺微空气过滤用静电纺微/纳纤维材料的纳纤维材料的结构设计结构设计及性能研究性能研究TUNABLEFABRICATIONOFMICRO/NANOSTRUCTUREDELECTROSPUNFIBROUSMEMBRANESANDTHEIRAPPLICATIONINPM2.5AIRFILTRATION所属所属学院学院：材料科学与工程学院材料科学与工程学院学科学科专业专业：纳米纤维及杂化材料纳米纤维及杂化材料指导指导教师教师：丁彬丁彬教授教授作者作者姓名姓名：王娜王娜学号学号：1109186东华大学博士学位论文目录iPM2.5空气过滤用静电纺微空气过滤用静电纺微/纳纤维材料的结构设计纳纤维材料的结构设计及性能研究及性能研究摘要近年来，随着全球工业化进程的不断加快，环境污染问题日趋严重，以PM2.5（空气动力学尺寸小于2.5μm的颗粒）为特征的空气细颗粒物的污染呈加剧态势。空气中的PM2.5污染物的组成复杂，主要包含无机物质（如SiO2、SO42-和NO3-等）和有机物质（如有机碳和元素碳等），且来源主要是燃煤发电、工业生产及汽车尾气排放，且具有多污染源叠加的复合型污染特性。它不仅会造成雾霾天气的频发，还会引发人体呼吸系统和心血管疾病，造成胎儿发育缺陷，引发充血性心力衰竭和肺癌等疾病，甚至会导致死亡。2010年全球疾病负担研究报告数据显示，中国因PM2.5污染导致123.4万人过早死亡，全国人口的健康寿命累计减少了2500万年，直接或间接经济损失超过280亿元。因此，设计和制备能有效降低细颗粒污染物的排放，能够减少PM2.5对人体和环境危害的过滤材料是一项关乎民生和国家战略性发展的重大课题。然而，传统纤维过滤材料的大孔径和纤维直径、低孔隙率等特性使其难以实现对空气中PM2.5等细颗粒物的高效低阻过滤，这极大的推动了开发高性能纤维滤材的进程。纤维直径的细化可以减小滤材孔径和提升孔隙率，大幅提升纤维材料的过滤性能。具有三维立体结构的静电纺纤维膜不仅具有可控的纤维形貌、丰富的孔结构、良好的孔连通性和较高的孔隙率，还可以通过物理或化东华大学博士学位论文目录ii学方法调控纤维表面或本体的结构和组成以实现其功能化。因此，静电纺纤维材料在空气过滤领域具有十分广阔的应用前景。本文在深入分析目前静电纺纤维过滤材料研究中存在的主要问题的基础上，指出纤维及纤维膜结构的优化设计是提升其应用性能的关键。本文将重点阐述静电纺微/纳米纤维过滤材料的构建方法及结构与性能关系的研究。通过构建多种微/纳结构的纤维过滤膜，考察了不同纤维结构的调控方法，研究了纤维微/纳结构与应用性能间的构效关系，分析了基于不同结构纤维材料的过滤性能，揭示了影响纤维材料过滤性能的各种因素，并对微/纳米纤维过滤过程中的相关理论进行了初步探索，为实际应用提供理论支撑。所取得的主要研究成果总结如下：（1）以粘接结构聚氯乙烯（PVC）/聚氨酯（PU）复合纤维过滤膜的构建为出发点，探索了不同粘接程度的PVC/PU复合纤维膜的制备及结构调控方法。首先通过调节同一浓度混合溶液中PVC和PU的质量比，制备了一系列PVC/PU复合纤维膜。研究发现随着纺丝液体系中PU含量的增加，相应获得的纤维粘接程度增强，纤维膜的强度和耐磨性得到明显改善。并通过固定复合膜中的组成比，采用降低纺丝液浓度的方法制备了较小纤维直径的PVC/PU纤维膜，所得复合膜的纤维形貌和三维曲孔结构赋予了其良好的过滤性能。（2）研究了基于聚丙烯腈（PAN）/二氧化硅（SiO2）多级结构纳米纤维过滤膜的构建方法。通过对PAN纤维结构的调控，获得了双峰直径分布和纤维堆积密度与过滤性能间的内在关联。通过在东华大学博士学位论文目录iiiPAN基体中引入SiO2纳米颗粒，首次考察了单纤维截面形状对空气流和目标粒子运动轨迹的影响机制。此外，系统考察了同一克重的单层和多层堆积PAN/SiO2纤维膜的过滤性能，研究结果表明层层堆积结构较之单层纤维膜可减小空气流在纤维中的运动阻力，进而会提升材料的过滤性能。（3）构建了基于无机驻极体（BaTiO3）改性的聚醚砜（PES）耐温纤维过滤膜。通过研究混合溶剂DMF/NMP的质量比对PES纤维形貌、机械性能及过滤性能的影响规律，确定了制备结构及性能良好的PES纤维膜的最优溶剂比例。我们先后考察了BaTiO3驻极体的掺杂量引入对PES本体纤维形貌、电荷捕捉能力、电荷稳定性及表面润湿性的影响。研究结果表明，当BaTiO3添加量为1.5wt%时，纤维膜驻极性能最佳，放电电流峰出现最大值0.26pA，此时所得PES纤维膜过滤性能最优。此外，所制备的