靜電紡納米纖維復(fù)合梯度型空氣過(guò)濾材料的研究進(jìn)展

靜電紡納米纖維復(fù)合梯度型空氣過(guò)濾材料的研究進(jìn)展

隨著人們生活水平和環(huán)保意識(shí)的提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注大氣質(zhì)量，隨著工業(yè)一體化生產(chǎn)水平的不斷提高，污染越來(lái)越嚴(yán)重。在這種情況下，國(guó)家逐步制定了相關(guān)的環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)，并通過(guò)工業(yè)天然氣排放制定了更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)?？諝膺^(guò)濾材料在工業(yè)粉塵減排、個(gè)體過(guò)濾防護(hù)、空氣凈化等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,人們對(duì)空氣過(guò)濾材料的質(zhì)量要求越來(lái)越高。近年來(lái)空氣過(guò)濾材料的生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量均取得較大發(fā)展,尤其是纖維類空氣過(guò)濾材料。纖維類空氣過(guò)濾材料的應(yīng)用領(lǐng)域包括日常防霾口罩和特殊行業(yè)勞動(dòng)保護(hù)口罩、防護(hù)服、工業(yè)用袋式除塵器濾料、一般通風(fēng)空調(diào)空氣過(guò)濾器用濾料、空氣凈化器用濾料等。對(duì)纖維過(guò)濾材料的質(zhì)量及使用壽命要求的不斷提高,使得傳統(tǒng)單一型纖維濾材逐漸不能滿足應(yīng)用要求,研發(fā)人員開(kāi)始將復(fù)合技術(shù)引入到高性能空氣過(guò)濾材料加工中,研究開(kāi)發(fā)復(fù)合過(guò)濾材料,尤其是采用不同粗細(xì)纖維層加工制成的梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合濾材。梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合濾材是將不同粗細(xì)的纖維網(wǎng)進(jìn)行復(fù)合,不同層纖網(wǎng)的孔徑大小及分布不同,纖維粗細(xì)不同,達(dá)到對(duì)不同顆粒物進(jìn)行階梯過(guò)濾的目的。隨著靜電紡納米纖網(wǎng)加工技術(shù)不斷發(fā)展成熟,通過(guò)以其他工藝(紡粘、熔噴、水刺等)生產(chǎn)的非織造布為基布,復(fù)合靜電紡納米纖網(wǎng),制備二梯度、三梯度、多梯度靜電紡復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)濾材,用于空氣過(guò)濾領(lǐng)域,可以有效提高產(chǎn)品的綜合性能。靜電紡復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)濾材在保證過(guò)濾效率的前提下,具有較低的過(guò)濾阻力,而傳統(tǒng)單一型過(guò)濾材料通過(guò)增加厚度或者密實(shí)度來(lái)提高過(guò)濾效率時(shí),其過(guò)濾阻力也會(huì)呈線性增加趨勢(shì),很難做到高效低阻的目標(biāo)。靜電紡絲技術(shù)在空氣過(guò)濾材料中的應(yīng)用及發(fā)展前景廣闊,而梯度復(fù)合技術(shù)則是開(kāi)發(fā)高性能及多功能性過(guò)濾產(chǎn)品的有效手段。靜電紡納米纖維復(fù)合梯度濾材具有高效低阻、易清灰、壽命長(zhǎng)、容塵量大等諸多優(yōu)越性能,加強(qiáng)梯度濾材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合方式、建模和數(shù)值模擬研究等是今后產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。1復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)濾材納米纖維的制備方法包括靜電紡絲法、分子噴絲板紡絲法、海島型雙組分復(fù)合紡絲法等對(duì)于空氣過(guò)濾行業(yè),研究開(kāi)發(fā)高效過(guò)濾PM2.5的過(guò)濾材料是重點(diǎn),納米纖網(wǎng)復(fù)合梯度結(jié)構(gòu)濾材就是其中一個(gè)研究方向,靜電紡制備的納米纖網(wǎng)具有高孔隙率、納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu),能夠高效捕集細(xì)顆粒物,當(dāng)納米纖維直徑小于100nm,含有顆粒物的氣流通過(guò)納米纖網(wǎng)時(shí),氣流能在納米纖維表面滑移,因此氣流經(jīng)過(guò)納米纖網(wǎng)的壓力降減小,使納米纖網(wǎng)具有高效低阻過(guò)濾性能2復(fù)合梯度濾材過(guò)濾材料梯度型纖維濾材指濾材的纖維組成沿厚度方向呈某種變化趨勢(shì)的過(guò)濾材料,通過(guò)不同粗細(xì)纖網(wǎng)進(jìn)行復(fù)合加工,可以生產(chǎn)二梯度、三梯度以及多梯度濾材,纖網(wǎng)排布方式可以根據(jù)纖維粗細(xì)順序排列,復(fù)合工藝可以分為熱粘合、粘合劑粘合、水刺等。按纖網(wǎng)階梯排列方式,可分為從粗到細(xì)、從細(xì)到粗、從細(xì)到粗再到細(xì)等方式。由較粗纖維制成的纖網(wǎng),其拉伸強(qiáng)度較高,可以作為復(fù)合濾材的增強(qiáng)層或支撐層,同時(shí)其孔隙較大,適宜過(guò)濾較大顆粒物,容納較多顆粒物,阻力也較低;由較細(xì)纖維制成的纖網(wǎng),強(qiáng)度較低,孔隙較小,主要起過(guò)濾作用,適宜于過(guò)濾較小顆粒物,過(guò)濾效率高,但如果直接用于過(guò)濾較粗顆粒物,容易堵塞濾材而失效。靜電紡納米纖維復(fù)合梯度濾材的目標(biāo)就是根據(jù)不同纖維層在顆粒物過(guò)濾中能夠分別過(guò)濾不同尺寸顆粒物,使各層纖網(wǎng)作用得到最大發(fā)揮,達(dá)到高效低阻過(guò)濾的目的,同時(shí)延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命。在工業(yè)粉塵過(guò)濾領(lǐng)域,粉塵顆粒物的直徑一般在幾微米到幾十微米,顆粒物比較大。袋式除塵器用濾材屬于可清灰濾材,梯度濾材構(gòu)建原則是采用表層超細(xì)纖維用于阻隔粉塵顆粒物進(jìn)入,表層具有優(yōu)異過(guò)濾性能,顆粒物累積在濾材表面,保證濾材具有良好清灰性,中間層和底層采用不同粗細(xì)纖維作為支撐層,起到結(jié)構(gòu)支撐和進(jìn)一步過(guò)濾凈化作用,使梯度結(jié)構(gòu)過(guò)濾材料具有高過(guò)濾效率、較低壓力降及良好清灰性能。對(duì)于口罩防護(hù)濾材,一般用于過(guò)濾空氣中霧霾,霧霾顆粒物直徑為納米級(jí)到微米級(jí),梯度濾材構(gòu)建原則采用表層為粗纖維層,例如紡粘或者熱風(fēng)非織造布,而中間層采用細(xì)纖維層,例如靜電紡納米纖網(wǎng)、熔噴纖網(wǎng),表層用于過(guò)濾較粗顆粒物,而中間層用于過(guò)濾較細(xì)顆粒物。對(duì)于一般通風(fēng)空調(diào)過(guò)濾用濾材,復(fù)合梯度濾材構(gòu)建原則是采用粗纖維層過(guò)濾較粗顆粒物,然后細(xì)纖維層過(guò)濾較細(xì)顆粒物。3過(guò)濾材料的研究為了實(shí)現(xiàn)靜電紡納米纖維復(fù)合梯度濾材高效低阻及使用壽命長(zhǎng)的目標(biāo),研究人員在靜電紡絲工藝、濾材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合方式,以及制品過(guò)濾性能表征、建立過(guò)濾模型和數(shù)值模擬等方面開(kāi)展了大量研究工作。3.1濾材過(guò)濾性能表征在采用靜電紡及復(fù)合技術(shù)制備梯度型空氣濾材產(chǎn)品及性能表征方面,楊欣卉等余燕平等孫熙等石小麗等劉雷艮等徐浩等臧傳鋒等姚春梅等目前靜電紡絲采用了包括聚乳酸、聚酰亞胺、醋酸纖維素、PA6、聚丙烯腈、聚己二酸己二醇酯等原材料,在溶劑選擇、紡絲液濃度、電紡工藝等進(jìn)行了很多研究,而在對(duì)制成品的環(huán)保可降解方面的研究則相對(duì)較少;在對(duì)濾材進(jìn)行過(guò)濾性能測(cè)試表征方面,主要采用初始過(guò)濾效率和初始阻力來(lái)進(jìn)行表征,對(duì)連續(xù)過(guò)濾實(shí)驗(yàn)下的過(guò)濾效率和阻力隨時(shí)間變化的趨勢(shì)、容塵量隨時(shí)間變化趨勢(shì)等的研究較少,因此無(wú)法全面表征預(yù)測(cè)濾材在實(shí)際應(yīng)用時(shí),在整個(gè)使用壽命周期內(nèi)過(guò)濾效率和阻力性能;在濾材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,在采用濾材孔隙率、孔徑大小表征濾材微觀結(jié)構(gòu)方面,在建立孔隙率、孔徑大小與過(guò)濾性能相關(guān)性方面的研究均較少,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)濾材結(jié)構(gòu)與過(guò)濾性能相關(guān)性方面研究;在復(fù)合方面,主要與針刺非織造布、熔噴非織造布、水刺非織造布、傳統(tǒng)紡織品等進(jìn)行多種結(jié)構(gòu)復(fù)合,制成二層梯度濾材,三至五層梯度濾材等,在濾材復(fù)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究方面則較少,建議表層或中間層濾材可以采用折疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),增大過(guò)濾面積,達(dá)到高效低阻等的目的。3.2其他常用軟件在過(guò)濾模型及數(shù)值模擬研究方面,錢付平等呂士武等李小虎等黃繼紅等在建立過(guò)濾模型和數(shù)值模擬方面,所應(yīng)用的軟件主要包括Matlab軟件、Gambit中的Journal文件、AutoCAD中的Lisp程序、Fluent流體力學(xué)軟件等,這些軟件的應(yīng)用都比較成熟。在建模模擬方面,未來(lái)研究重點(diǎn)應(yīng)是結(jié)合濾材所應(yīng)用的場(chǎng)合,進(jìn)一步精確地進(jìn)行過(guò)濾模型設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬,以期待能夠更準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)過(guò)濾器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo),通過(guò)濾材應(yīng)用工況的實(shí)際數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,不斷修正模型及數(shù)值模擬等。4空氣濾材的發(fā)展趨勢(shì)隨著環(huán)境空氣質(zhì)量惡化,人們對(duì)空氣質(zhì)量關(guān)注度的提高,纖維濾材在空氣過(guò)濾中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。靜電紡納米纖維復(fù)合梯度型濾材基于不同纖維層過(guò)濾不同粗細(xì)顆粒物思路,每一層纖網(wǎng)發(fā)揮各自獨(dú)特作用,使組合成整體的靜電紡納米纖維復(fù)合梯度型濾材具有高效低阻、易清灰、容塵量大、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),是未來(lái)空氣濾材的重點(diǎn)開(kāi)發(fā)方向。目前的靜電紡絲工藝已經(jīng)是越來(lái)越成熟,在不同纖維層復(fù)合方面,研究人員也進(jìn)行了很多研究工作,但是在濾材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制成品的環(huán)保降解性能、濾材長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中過(guò)濾效率、阻力、容塵量等隨時(shí)間的變化趨勢(shì)等的研究則相對(duì)比較少,預(yù)測(cè)評(píng)估濾材在整個(gè)壽命周期內(nèi)過(guò)濾效率和阻力情況的能力比較薄弱,應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)這方面的研究。在采用濾材孔隙率、孔徑大小、纖維分散性表征濾材微觀結(jié)構(gòu),在建立孔隙率、孔徑大小與過(guò)濾性能相關(guān)性等方面的研究較少