高效低阻PAN静电纺微纳米滤膜制备与性能研究

东华代码：10255学号：2130112东华大学硕士学位论文MasterDissertationofDonghuaUniversity高效低阻PAN静电纺微纳米滤膜制备与性能研究ProductionandPropertiesStudyofHighEfficiencyandLowPressureDropElectrospunPANNanofiberMaterialsforFiltration学科专业：纺织材料与纺织品设计作者姓名：娄莉华指导老师：覃小红答辩日期：2016-01-08东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密■。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日东华大学娄莉华博/硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位备注邱夷平教授答辩委员会主席东华大学刘丽芳教授答辩委员会委员东华大学杜赵群教授答辩委员会委员东华大学易洪雷教授答辩委员会委员嘉兴学院李发学副教授答辩委员会委员东华大学蒋秋冉副教授答辩委员会秘书东华大学东华大学硕士学位论文摘要I高效低阻PAN静电纺微纳米滤膜制备与性能研究摘要近年来，空气污染和水污染问题严重，蔓延世界各大城市，如PM2.5（俗称雾霾）和石油泄漏。PM2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质，对人体健康和环境质量影响大。含油污水来源十分广泛，如石油化工、开采、机械加工、皮革、纺织、食品等行业，且排放量大，若直接排入水体，对自然生态平衡危害极大。传统空气过滤技术存在过滤效率低、寿命低等难题。静电纺纳米纤维膜比表面积大、孔隙率高、制备过程简单等优点，纺制一定厚度的均匀纳米膜因其高滤效的特点迅速引起人们的关注并很快应用到过滤方面。但目前为止，纳米膜的过滤阻力大、产量低、性能优势不显著、理论研究少等问题，极大的限制了其在过滤方面的应用。本文主要针对以上问题展开研究。首先研究采用单针头纺丝装置和结构接收模板制备高效低阻空气过滤材料的方法。PAN以其易纺、纤维细度均匀和结构均匀蓬松等优点被选为纺丝材料。分别选择凸起泡沫结构、纸面压花结构、铝箔作为模板，研究了模板结构、纺丝时间和优化结构对纳米膜过滤性能的影响。研究结果表明：采用凸起泡沫作为接收装置，纺丝时间为8~10h时，纳米膜堆积密度低，质量因子高，纳米膜的平均孔径约为3.5μm，因此PAN纳米膜过滤阻力从151.7mmH2O下降至28.7mmH2O，过滤效率从97.32%下降至东华大学硕士学位论文摘要II95.55%；在凸起泡沫间隙加入细纱线时可以有效提高PAN纳米纤维膜的均匀性，纳米膜的过滤效率提高至96.33%，过滤阻力从287Pa下降至247Pa。其次，本文研究了纳米纤维空气过滤膜的产业化生产。采用本课题组研发的三维自由液面静电纺丝装置，产量为20~25g/h，选用PAN作为纺丝材料，分别研究了距离、电压、溶液量、接收滚筒的转速、横移速度、温湿度、孔径等参数对纳米膜过滤性能的影响。将制备的高效低阻纳米膜制备成口罩及过滤膜产品，并研究产品过滤性能、透气透湿、强力、直径和孔径分布等性能。研究结果表明：溶液量约为50~60ml、滚筒转速约为30~40r/s，横移速度为800cm/Min，电压为60~68KV，距离为15cm，平均孔径为2~3μm时，纳米膜的过滤效率可达95~99.56%，过滤阻力为100~250Pa，透气率约为300L·m-2·s-1，透湿性为9.6~13m2·Pa·w-1，强力在50N左右，直径为50~300nm，孔径为0~3μm，满足美国标准（NOISH）、欧盟标准（EN149），中国标准（GB2626-2006）。接着，本文对高效低阻静电纺PAN纳米纤维膜气体过滤机理进行分析。分别研究了溶液性质、纳米纤维取向度和NaCl气溶胶流速对纳米纤维膜过滤性能的影响；分析纳米纤维膜过滤机理，静电效应、惯性沉积和重力沉积、扩散效应和拦截效应；建立非稳态过滤效率数学模型和过滤阻力数学模型，并与试验拟合结果比较分析。结果表明：PAN溶液黏度为1200CP时，是纺丝溶液的较佳使用状态；转速对纳米膜的过滤性能影响不大，但影响产品性质；随着NaCl气溶胶流速东华大学硕士学位论文摘要III的增加，纳米纤维膜的过滤效率逐渐减小，过滤阻力逐渐增加。惯性沉积、扩散效应和拦截效应是纳米纤维膜的高过滤效率的主要过滤机理。静电纺纳米纤维膜过滤效率拟合公式为：)exp(exp-100dtcbta，过滤阻力拟合公式为：VKdxVxVVPPPd02221)(。最后，为拓展纳米膜应用领域，本文研究了高强力纳米纤维膜制备工艺和应用。通过对比几种常见水处理材料，找出纳米材料的优劣势，然后分别采用改变纳米膜厚度、加盐、改变接收滚筒转速和热轧与平板热粘合方式来提高纳米膜强力，最后将制备得到的高强力纳米膜应用于含油污水过滤领域。研究结果表明：热轧与平板热黏合方式制备的静电纺纳米膜/非织造布复合膜的强度为50~60N，断裂伸长率为50%~75%，约是不经过处理纳米膜强力的60倍，强度约是其的10~20倍，是提高纳米膜强力的有效方式。且平板热黏合纳米膜乳化油截留率高达98.56%，高于PVDF商品超滤膜的97%，水接触角约为50~70°，因此纯水通量为4,004L/（m2·h），在水处理方面具有巨大的应用潜力。关键词：静电纺，PAN纳米纤维膜，气体过滤，油水分离，过滤机理东华大学硕士学位论文摘要IV东华大学硕士学位论文ABSTRACTVProductionandPropertiesStudyofHighEfficiencyandLowPressureDropElectrospunPANNanofiberMaterialsforFiltrationABSTRACTInrecentyears,airpollutionandwaterpollutionproblemsarespreadingtomajorcitiesoftheworldandbecomemoreseriousthanbefore,suchasPM2.5(commonlyknownashaze)andoilleakage.PM2.5particlesizeissmallinsizeandrichinalargenumberoftoxicandharmfulsubstances,whichhaveagreatinfluenceonhumanhealthandenvironmentalquality.Oilysewagesourcesareveryextensive,suchaspetrochemical,mining,machineryprocessing,leather,textile,foodandotherindustries,andtheemissionislarge,ifdirectlydischargedintothewater,theecologicalbalanceofnaturalwouldbedestroyed.However,traditionalairfiltrationtechnologyhastheproblemsoflowefficiencyandshortservicelife.Nanofibrousmembraneshavetheadvantagesoflargesurfacearea,highporosity,simpleproductionprocess.Asaconsequence,membraneswithacertainthicknesshaveattractedmuchattentioninthefieldoffiltrationduetotheirhighefficiency.However,duetothedisadvantagesofhighpressuredrop,lowyield,poorperformanceandlackintheoreticalresearch,theapplicationofnanofibrousmembranesislimited.Thispapermainlyfocusesontheaboveissues.Firstly,themethodofpreparinghighefficiencyandlowresistanceairfiltermaterialbyusingsingleneedlespinningdeviceandstructuredreceivingtemplateisstudied.PANisservedasthespinningmaterialonaccountofitsfacileelectrospinningprocess,uniformfiberfineness,homogeneousandfluffystructure.Bulgedbubblestructure,embossedpaperstructureandplanestructure(aluminumfoil)wereemployedasreceivingtemplatetostudytheeffectoftemplatesstructure,spinningtimeandmodifiedstructureonthenanofibrousmembranefiltrationperformance.Resultsshowedthatwhenusingbulgedbubbleasareceiverwithspinningtimeof8-10h,nanofibrousmembraneshavelowdensityandhighqualityfactorwiththeaveragediameterof3.5μm.ThereforepressuredropofPANnanofibrousmembranedeclinedfrom151.7mmH2Odroppedto28.7mmH2Oandfiltrationefficiencyfrom97.32%dropto95.55%whenreceivingtemplatechangedfromaluminumfoiltobulgedbubble.Inaddition,addingfineyarnsonabulgedbubblegapcaneffectivelyimprovetheuniformityofthePANnanofibermembranes.Asaresult,thefiltrationefficiencywasimprovedto东华大学硕士学位论文ABSTRACTVI96.33%whilefiltrationresistancefellfrom287Pato247Pa.Secondly,industrialproductionofnanoairfiltermembraneisstudiedinthispaper.Usingthethree-dimensionalfreesurfaceelectrostaticspinningdevicewithoutputof20-25g/hwasusedforeletrospinningwithPANasspinningmaterialtostudytheeffectof