多功能静电纺丝纳米纤维膜的制备及性能研究

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空气污染问题日益严峻,主要造成空气污染的细颗粒物不仅自身有一定的危害性,同时又是细菌微生物的载体,对人类身体健康造成很大的伤害。空气过滤材料被认为是抵抗空气污染的有效屏障,但是传统的过滤材料对亚微米级颗粒过滤效率差,已经无法完全满足人们对高效净化空气的要求。因此,研究一类高效低阻、抗菌防霾的空气过滤材料具有重要的理论意义和应用价值。本文通过静电纺丝技术制备了复合纳米纤维膜,并详细研究其空气过滤性能、抗菌性能以及气体吸附性能等。主要研究内容如下:(1)通过静电纺丝技术制备PA6纳米纤维膜,探究最佳的静电纺丝工艺参数。通过扫描电镜(SEM)分析纳米纤维膜的微观形貌,当采用滚筒收集、纺丝液浓度13%、高压静电19 kV及接收距离17 cm时,制备纤维尺寸均一且纤维直径为95 nm。通过红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析PA6纳米纤维的结构发现部分α晶型向γ晶型的转变。通过过滤性能测试,分析在纺丝时间为10分钟时,PA6纳米纤维膜对于PM2.5的过滤效率为99.75%,此时的压力降为47 Pa,满足高效低阻的空气过滤要求。(2)采用硼氢化钠(NaBH4)为还原剂、柠檬酸纳为稳定剂,通过水相氧化还原法制备纳米Ag粒子;采用原位复合法,通过调节溶液的pH,制备PA6@Ag纳米纤维膜。研究发现溶液pH值为5时,纳米Ag粒子能够均匀地负载在PA6纳米纤维的表面。空气过滤性能测试结果表明,PA6@Ag纳米纤维膜对于PM2.5的过滤效率为99.99%,此时的压力降为42 Pa;PA6@Ag纳米纤维膜对大肠杆菌细菌减少率为99%;细胞相对增殖率(RGR)为99.07%,细胞毒性等级为1级。PA6@Ag纳米纤维膜满足高效低阻的空气过滤要求,并且表现出优异的抗菌性能和良好的生物安全性。(3)将纳米纤维过滤材料应用于一次性口罩、空调过滤网和空气净化器,研究其在实际应用中的过滤性能和气体吸附性能。将PA6@Ag纳米纤维膜替换一次性口罩的无纺布层,对0.3μm的颗粒,过滤效率大幅度提高,从54.52%升高到99.29%,空气阻力从78 Pa下降到49 Pa。安装在空调过滤网上的PA6纳米纤维膜,可使点燃香烟房间中的PM2.5浓度从400μg/m3降低至40μg/m3,比不安装纳米纤维膜的房间减少了25μg/m3,并且有效吸附烟雾中的尼古丁、苯和苯酚等有害成分。在点燃蚊香的房间中,安装在空调净化器的PA6和PA6@Ag纳米纤维膜能够有效地吸收SO2、NOx、二甲苯以及苯酚同系物等成分。本文通过静电纺丝技术制备一类高效低阻、抗菌防霾的纳米纤维膜,在空气过滤领域应用前景广阔。
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