静电纺纳米纤维材料在膜分离领域的应用研究进展

近年来,由静电纺丝技术制备的纳米纤维多孔膜,因具有纤维纤度细、表面积大、孔隙率高等形态特点,以及兼具良好的机械强度、低密度和易功能化而在过滤基膜分离领域的应用研究倍受各国研究者的关注。现有的高分子材质微滤膜多采用溶液相转化法,然而用该方法所制备的微滤膜孔隙率较低,并且所形成的微孔部分为闭孔结构;而静电纺纳米纤维多孔膜的孔隙率高且为相互贯通的开孔结构,能够显著改善流通性,是非常好的微孔滤膜。综述了近几年来纳米纤维作为过滤材质以及过滤用支撑材质在膜分离技术领域的研究成果,主要从纳米纤维微孔滤膜以及纳米纤维基复合滤膜用于水净化及脱盐淡化等几个方面进行概述,并对纳米纤维基滤膜的应用研究前景进行了展望。     

纺锤状纤维结构的设计及其PM2.5过滤性能研究

城市雾霾,特别是其中的PM_2.5颗粒(当量直径≤2.5μm),因其自身危害及其携带的病原体对公共健康具有严重威胁而被人们广泛关注.静电纺丝纳米纤维作为空气过滤膜实现PM_2.5高效捕获是国内外研究热点,但现有的纺丝滤膜仍存在无法兼顾高过滤效率和低空气阻力的问题.根据蛛丝微观结构特点,采用静电纺丝技术,通过在纺丝纤维内部引入不同形貌黏土矿物及其微球前驱体的策略,可实现复合纤维及其滤膜材料的多级结构构筑和微观形貌调控,成功设计具有纺锤状埃洛石微球节点的仿生纳米纤维滤膜材料.其纤维表面富含亲水基团及活性位点,粗糙的表面形貌具有高表面能及PM_2.5颗粒的强捕获性.对比纯纺丝滤膜(62.59μm),纺锤状节点滤膜具有蓬松的纤维膜层间架构(74.17μm)及窄尺寸的表面孔隙,可实现稳定高效的PM_2.5过滤效率(>85.0%)及持续低压差阻力(~39 Pa).本文探索了纳米纤维的官能化、多层次结构构建和微观形貌调控对纺丝滤膜过滤性能的影响及其过滤机制理论,为其他新型高性能高分子纳米纤维复合材料的设计和开发提供了借鉴.     

静电纺PAN/PVP亲水纳米纤维膜的制备及其空气过滤性能研究

相较于传统纤维材料，纳米纤维膜因其高比表面积和超细孔隙率更适合用作空气过滤材料，此外传统的聚丙烯(PP)过滤材料亲水性差，水汽易聚集从而降低其过滤性能；针对传统空气过滤材料亲水性差的问题，基于静电纺丝的方法，以聚丙烯腈(PAN)和强亲水性的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为纺丝原料，制备了PAN/PVP纳米纤维膜，探讨了亲水材料PVP对其纳米纤维膜亲水和过滤性能的影响。采用傅里叶红外光谱、扫描电镜表征了纳米纤维膜的结构，由于亲水性材料PVP的引入，纺丝时纤维中静电导通性好，纺丝液能很好地被拉伸，使纤维直径变小，PVP添加质量为30%时纳米纤维膜的平均直径最小为358.12nm;此外，PVP的引入提高了纳米纤维膜的亲水性能，PVP添加质量为40%时其静态接触角为(11.5±2.5)°;但纳米过滤膜亲水性的增加会影响其过滤效率，PVP添加质量为10%时纳米纤维膜的过滤效率最高为83.4%±3.6%,纤维膜克重为1.17g/m²时品质因子最高为0.10Pa^-1,纳米纤维膜具有优异的循环稳定性，300min内过滤稳定性好且过滤压力较低，可应用于对循环过滤性能...     

聚对苯二甲酸乙二醇酯纳米纤维膜/涤纶针刺毡过滤复合材料的制备及性能

利用静电纺丝技术制备了不同纺丝时间的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纳米纤维膜,将PET纳米纤维膜、热熔型胶膜及涤纶针刺毡通过热处理复合,制备了三明治结构的PET纳米纤维膜/涤纶针刺毡过滤复合材料,利用SEM分析了PET纳米纤维膜形貌,通过TGA确定了PET纳米纤维膜的热处理条件,对不同纺丝时间的PET纳米纤维膜/涤纶针刺毡过滤复合材料透气性能、过滤性能进行了研究。结果表明:纺丝液浓度为18%,纺丝电压为15 kV,接收距离为21 cm,环境温度为13℃,环境湿度为20%条件下得到的PET纳米纤维膜纤维平均直径为514.95 nm;PET纳米纤维膜与涤纶针刺毡的复合温度为115℃;随纺丝时间的增加,PET纳米纤维膜的密度增加,PET纳米纤维膜/涤纶针刺毡过滤复合材料对颗粒物的过滤效率增大,透气性下降,当密度为3.86 g/m2时,PET纳米纤维膜/涤纶针刺毡过滤复合材料的过滤性能最优,其品质因子Q_F明显优于常规涤纶针刺毡,对1 μm以下颗粒物的过滤效率均高于93%,效率提高了58%以上,表现出优异的过滤性能。      

静电纺纳米/亚微米纤维膜对染料的过滤性能研究

为了获得能够高效处理印染废水中有毒染料的分离膜,采用静电纺丝技术制备了具有亚微米级直径的聚砜(PSF)纤维膜和纳米级直径的尼龙6(PA6)纤维膜,通过SEM、孔径分析测试仪、接触角测量仪、电子强力仪和紫外可见光分光光度仪测试并分析了此两种纤维膜的孔隙结构、润湿性、力学性能及对分散蓝2BLN悬浮液和弱酸性蓝N-RL水溶液的过滤性能.结果表明,静电纺PA6纤维膜和PSF纤维膜的孔隙结构都属于微滤膜范畴,孔隙率均高于80%,其中PSF纤维膜对水具有较强的抗润性,而PA6纤维膜具有优良的润湿性,并且其力学性能明显优于PSF纤维膜.在0.1 MPa死端恒压过滤条件下,连续过滤1h后,两类纤维膜对分散蓝2BLN的截留率均达到94%以上,对弱酸性蓝N-RL的截留率均小于36%,但是均具有较高的过滤通量并且逐渐趋于一致.     

液体定向输运电纺纤维材料的研究及进展

静电纺丝法是一种高效、便捷制备微/纳米纤维的方法。制备过程中,通过调控微/纳米纤维化学组成及微观结构,能够实现纤维表面及纤维膜厚度方向浸润性差异或梯度的构筑,进而利用浸润性差异或梯度驱动液体的定向输运。综述了近年来电纺纤维及纤维膜材料在液体定向输运中的研究成果及液体定向输运机理,并对液体单向输运微/纳米纤维材料未来的应用及发展进行了展望。     

静电纺醋酸纤维/PET复合过滤材料的制备及性能

采用静电纺丝技术将二醋酸纤维素纳米纤维直接沉积在聚对苯二甲酸乙二纯酯(PET)非织造布基材表面上,并在纳米纤维膜上覆1层PET无纺布,制备成三明治结构的复合滤材。研究了不同条件对复合过滤材料过滤性能的影响。结果表明:均匀纳米纤维有利于提高复合滤材的过滤效率而串珠纤维有利于降低复合滤材的过滤阻力;随着纺丝时间和电压的增大,复合滤材的过滤效率和过滤阻力都呈现增大的趋势;随着空气流量的增加,复合滤材的过滤效率几乎不变,但过滤阻力却呈现线性增大的趋势。当选择纺丝时间为60min,纺丝电压为18kV时所制备的串珠状复合纤维过滤材料,能对粒径0.5μm的颗粒达到99%以上的过滤效率。     

凹凸棒石-聚丙烯腈复合静电纺丝膜的制备与表征

采用3种改性剂对凹凸棒石进行表面改性,然后通过静电纺丝技术制备凹凸棒石-聚丙烯腈(ATP-PAN)复合纳米纤维膜,研究改性剂对复合膜结构和空气过滤性能的影响,优化ATP-PAN复合膜材料的静电纺丝制备工艺。结果表明,经十八烷基三甲基溴化铵和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷联用改性后的凹凸棒石纳米棒在复合纳米纤维膜中的分布较优。以邻苯二甲酸二辛酯(DOP)气溶胶颗粒为目标过滤物,发现凹凸棒石使复合膜的空气过滤效率达到98. 670%,压降仅为106. 7 Pa,品质因数为0. 407 3 Pa~(-1),表明以凹凸棒石为功能添加剂的复合纳米纤维膜材料在空气过滤领域具有良好的应用前景。     

单取向聚酰亚胺纳米纤维膜及其同质复合薄膜的制备

通过静电纺丝的方法制备了单轴取向的聚酰亚胺(PI)纳米纤维膜,并且采用不同环化温度的纳米纤维膜与聚酰亚胺基体进行复合,制备了一种PI纳米纤维增强PI复合薄膜。通过扫描电子显微镜(SEM)研究了纳米纤维的取向情况,以及纳米纤维膜与其基体的界面粘接情况;采用红外光谱对不同热处理温度PI纳米纤维膜的亚胺化程度进行了表征;并对复合薄膜的力学性能进行了表征。结果表明:通过提高滚筒转速可以得到高度取向结构的纳米纤维膜;纳米纤维膜的环化程度随热处理温度升高而提高;纳米纤维的亚胺化程度越低,其与基体之间的界面粘接性越好,复合薄膜的力学性能越佳。     

溶液吹纺分级结构氮化硼纳米片/聚丙烯腈纳米纤维膜用于高效空气过滤

空气中的污染物颗粒(PM)已经成为一个严重的环境问题，因此急需开发高效的空气过滤器。在本研究中，利用溶液吹纺(SBS)和雾喷技术，采用高横纵比的氮化硼纳米片(BNNSs)对聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜的表面进行雾喷改性，建立起分级结构，从而提高纳米纤维膜的比表面积，有效捕捉PM污染物。研究结果显示，具有分级结构的4-BNNSs/PAN空气过滤膜对PM2.5的过滤效率为95.13%，压降为34 Pa，与纺丝时长相同的PAN过滤膜相比，过滤效率提高了9.46%，而压降只提高了13 Pa，综合过滤表现更佳。本研究表明，通过将高比表面积的BNNSs雾喷到PAN纳米纤维膜的表面，构建分级结构的BNNSs/PAN复合膜是开发新型空气过滤膜的实用改性技术。     

静电纺聚醚砜纳米纤维膜的制备及性能研究

配制不同浓度的聚醚砜(PES)纺丝液,在不同纺丝温度和进液速度下,采用静电纺丝技术制备PES纳米纤维膜,并通过扫描电子显微镜观察膜表面的微观形貌,探究纺丝液浓度、进液速度和纺丝温度等条件对纤维的形貌、直径和孔径分布等的影响。结果表明:当纺丝液浓度为28%(质量分数),推进速度为1mL/h,纺丝温度为45℃时,纺丝效果最佳。分别采用电子万能试验机和泡压法滤膜孔径分析仪对优化条件下制得的PES纳米纤维膜的力学性能、通孔孔径及孔径分布进行测试,发现该条件下所得PES纳米纤维膜的弹性模量为33.4MPa,断裂伸长率为38.63%,拉伸屈服应力为3.47MPa;纤维平均直径为0.723μm,平均孔径为3.5689μm,最可几孔径为3.5655μm。静电纺PES纳米纤维膜有望作为高精度滤膜材料使用。     

复合碳化硅陶瓷过滤膜材料的制备及表征

研究了陶瓷纤维过渡层浆料的不同工艺配方对复合碳化硅过滤膜材料结构的影响,陶瓷粘结剂量对过滤膜的孔隙率、孔径大小和孔径分布的影响,以及陶瓷粘结剂量为15%（质量分数）时,造孔剂量对过滤膜孔隙率的影响.采用流延成型法在多孔碳化硅陶瓷块体上流延制备复合碳化硅陶瓷过滤膜,并用XRD对过滤膜进行物相分析,扫描电镜观察过滤膜的形貌,表面过滤膜的孔隙率和孔径分布则用排水法和泡点法分别测试.结果表明,1 300℃烧结3h后的碳化硅过滤膜在2θ=22°时,有SiO₂衍射峰生成.当陶瓷纤维过渡层浆料各成分的质量比为:硅酸铝纤维:莫来石纤维:羧甲基纤维素钠（CMC）:蒸馏水=1:1:1.565,复合碳化硅陶瓷过滤膜结构最均匀平整.当粘结剂量5%增加到25%时,过滤膜气孔率从46%下降到29%,平均孔径从11.916μm减小至4.017μm;当粘结剂量为15%,造孔剂量从5%增加到25%时,过滤膜气孔率从41%上升到60%.     

空气过滤用静电纺聚苯乙烯/碳纳米管复合纤维膜的制备

采用静电纺丝技术制备聚苯乙烯(PS)超细纤维、PS/多壁碳纳米管(MWCNTs)复合纳米纤维,并对其纤维形态结构、直径大小及空气过滤性能进行了表征。通过PS纺丝溶液浓度变化调控制备纯PS纤维多孔膜,并通过在PS纺丝液中添加不同含量MWCNTs调控纤维形态结构。SEM分析结果表明PS/MWCNTs复合纤维表面形成"褶皱"型和"山峰"型纳米级突起,复合纤维表面的粗糙度明显增加,且纤维直径明显减小。空气过滤性能测试结果发现这种多级结构使复合膜的过滤效率相比光滑的纯PS纳米纤维膜大幅提高,过滤性能得到明显改善。在85L/min气流速度下,PS/MWCNTs复合膜过滤效率高达99.95%,空气阻力为374.6Pa。选择尺寸较粗的微米级PS纤维(~2μm)和相对较细的纳米级PS/MWCNTs复合纤维(~800nm)进行混纺,调节复合膜堆积密度可使得混纺膜空气阻力降低到235.4Pa,仍能保持高的过滤效率(99.68%)。     

PVP纳米纤维膜修饰微穿孔板吸声性能研究

采用静电纺丝技术制备的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)纳米纤维膜,微观上具有与宏观的吸声降噪纤维板相类似的结构,特定厚度时可以展宽微穿孔板吸声频带宽度。本文中,在155μm穿孔直径的微穿孔板表面制备出连续、均匀、直径约为600 nm、三种不同厚度的聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维膜,并应用驻波管法分别对其进行了声波正入射时的吸声系数-频率响应曲线测试,发现不同厚度的聚乙烯吡咯烷酮静电纺丝纳米纤维膜对微穿孔板不同频率范围的吸声性能具有不同程度的影响。     

SF/PEI自组装纳米纤维膜用于Cu2+过滤的研究

采用静电层层自组装技术将丝素(SF)与聚乙烯亚胺(PEI)复合制备的SF/PEI纳米纤维,随着自组装层数的增多,纤维直径变粗,表面变得不规整,且在一定的自组装层数内,复合纳米纤维膜对Cu2+的过滤效率不断增大.杂化Fe后,纤维表面变得更加凹凸不平,但对Cu2+的过滤效果显著改善.这对于制备新型、高效、无二次污染、低治理成本的替代或改进的重金属过滤材料提供了理论意义.     

静电纺丝纤维力学性能提升方法及应用研究进展

静电纺丝技术是制备一维材料最有效的方法之一，其操作简便且成本低廉。可制备具有多种成分、结构和性能的纳米纤维。但由于纤维内部组分取向性差、界面相互作用弱以及纤维之间接触微弱等因素导致静电纺丝纳米纤维力学性能普遍较弱，限制了其在很多领域的应用。近年来，研究工作者主要从增强单根纤维或纤维集的力学性能出发，发展了如纳米填充、交叉点焊接等有效提升纤维力学性能的方法。首先概述了静电纺丝纤维力学性能提升方法，并对强韧化机理、提升效果进行综述和总结。随后通过代表性的例子讨论了电纺纳米纤维的典型应用，包括分离过滤、电化学储能以及生物医学。最后对影响微纳米纤维膜力学性能的因素以及进一步提升力学性能的方法等方面进行分析和展望。     

金属—高分子复合导电微滤膜的研制及应用

本文报道了用化学镀制备银与纤维素复合导电微滤膜。测量了导电微滤膜的结构。研究表明,这种膜不仅具有高分子微孔膜的特性,还有良好的导电性质。当导电徽滤膜应用于过滤时,由于电的作用,可以截留带电胶体微粒。     

湿化学法制备氧化锆超滤膜及其表征

以湿化学法制备的纳米氧化锆晶粒悬浮液为原料,在管式陶瓷微滤膜上制备了ZrO2超滤膜,用TEM考察了ZrO2晶粒悬浮液的性质,用N2吸附-脱附法和SEM对膜的结构、形貌与孔径分布进行了表征,考察了氧化锆悬浮液的浓度对膜的完整性的影响,并用不同分子量的葡聚糖对膜的截留性能进行了考察.实验表明:用该方法制备出的ZrO2膜完整无缺陷,孔径在16 nm左右,对葡聚糖的截留分子量为42 000 Da.     

静电纺多孔/无孔二醋纤复合膜的制备及过滤性能研究

采用静电纺丝技术,借助高挥发溶剂的制孔性,制备了多孔超细二醋酸纤维。通过调控纺丝过程中多孔超细二醋酸纤维和无孔纳米二醋酸纤维的比例,制备了不同交叉结构的多孔超细/无孔纳米二醋纤复合膜。通过扫描电镜观察纤维膜的形貌,利用电导率仪测试纺丝液电导率,运用黏度计测试纺丝液的黏度,利用多孔材料孔径分析仪测试复合膜的孔径分布,通过滤料综合性能测试台测试不同空气流量下复合膜的过滤性能。结果表明:随着无孔纳米纤维在复合膜中比例的增加,复合膜的孔径分布范围变窄,孔径减小,堆积密度增加;过滤效率和过滤阻力都呈增大的趋势;当纺丝过程中,多孔超细纤维与无孔纳米纤维纺丝针管数目比例为1∶2时,所制备的复合膜具有最好的品质因数,在空气流量为80L/min时,其过滤阻力仅为280Pa,过滤效率可达99.472%。     

聚偏氟乙烯中空纤维膜技术在丙烯酰胺生产工艺中应用的研究

针对微生物法生产丙烯酰胺,采用聚偏氟乙烯中空纤维超微滤膜技术对其进行分离,即利用中空纤维微滤膜对菌体进行浓缩和洗涤,利用中空纤维超滤膜对丙烯酰胺水合液进行分离.实验表明,与离心分离相比,采用微滤膜后,菌体的浓缩倍数提高了近一倍,达到9倍,且菌体100%被膜截留.清洗试验表明:利用氢氧化钠水溶液可100%恢复膜的纯水通量.在对丙烯酰胺水合液进行分离时,与原来的离心分离相比,采用超滤膜后,不仅过滤速度达到150 L/h,且过滤精度大大提高,电导值小于350μS/cm.除此之外,考察了水合液温度和跨膜压差对超滤膜过滤速率的影响,结果表明水合液温度越高,跨膜压差越大,过滤速度越快,且两者近似呈线性关系.