抗变形聚丙烯腈聚砜二元结构复合膜用于有效的空气过滤

　　虽然时至今日，许多高分子已成功的通过静电纺丝加工成了纳米纤维膜，或者复合纳米纤维膜，被应用在了空气过滤方面。但是，在大多数情况下，由于纤维组成的空腔结不稳定，纳米纤维膜的组织结构的强度未能达到实际应用的要求。在实际应用中对抗高空气流速带来的应力，保持纳米纤维结构是确保纳米纤维膜功能有效的基本要求但也是非常难有挑战性的。
　　东华大学丁彬教授和他的团队展示了一种稳定的，低能耗的使用静电纺丝来制备PEO@PAN/PSU的二元结构用于空气滤芯的方法。该研发是使用蓬松的PSU微米纤维和极细的PAN纳米纤维来作为纤维过滤膜的结构，同时在结构中使用PEO形成粘结结构来装配成一种小孔径，小密度的稳定的纳米纤维过滤材料。合成的PEO@PAN/PSU复合膜具有孔径小，孔隙率高，力学性能好（8.2MPa）的综合特点，过滤效率高达99.992%，低压降95Pa。更重要的是，它成功的消除了在高流速空气过滤的压力下以外结构崩溃所造成的的潜在安全隐患。PEO@PAN/PSU的过滤材料不仅使其成为PM2.5治理的一个有潜力的候选者，而且为设计和开发适用于各种应用的稳定多孔膜提供了一个通用策略。
　　首先将PAN与PEO溶于水中在40℃下搅拌合成9wt%PAN/1.5wt%PEO 水溶液。另外将PSU在室温下溶于DMF中搅拌合成22wt% PSU/DMF溶液。图1展示了通过多喷嘴混合静电纺丝制备PEO@PAN/PSU复合纤维过滤材料的典型过程。对于PEO@PAN/PSU的复合膜，PAN/PSU射流比保持为3/1。此外，还在针头上安装了电子屏蔽装置，以确保喷射流向前飞行。因此复合纤维均匀沉积在收集板上。所有样品均在100℃真空条件下干燥1小时用于除去残余溶剂和电荷。特别是PEO@PAN/PSU膜在加热过程中，PEO的物理熔化和凝固形成了粘粘结构来提高结构强度。所制备的PEO@PAN/PSU复合纤维膜具备以下3个优点: (1)膜的纤维直径和孔径足够小来有效的过滤微小颗粒；（2）复合膜具有高孔隙率，小密度的特性；（3）复合膜的纤维必须组成成均匀的未定的3D结构来长期对抗高空气流速下的变形应力。前两个要求通过精细的控制多喷头的静电纺丝工艺来满足，使得细直径的PAN纳米纤维和多孔的PSU微米纤维能够均匀的组装成孔径小，填料密度低的膜。为了满足第三个条件，他们采用了低熔点的PEO作为一种新型的粘结剂，制备出了具有良好物理学性能的多孔结构。
　　在PEO熔融凝固过程中，相邻纤维间形成粘结结构。随着PEO浓度的增加(从0.5wt% - 1.5wt%)，点形粘结结构的数量急剧增加，而纤维直径几乎保持不变。进一步将PEO浓度提高到2wt%，形成了带状粘结结构。这种变化可能是粘结剂含量过高的结果，当加热PEO到熔融点时，PEO可以沿着纤维流动，并在凝固过程中把相邻的平行的纳米纤维拉在一起。与预期一样，用于构建稳定蓬松结构的纤维结合策略也大大提高了PEO@PAN/PSU复合膜的力学性能。
　　图1 一个抗变形的PEO@PAN/PSU纳米纤维高效空气过滤复合膜的制作过程示意图。
　　纵观空气过滤材料，如玻璃纤维，熔喷材料，静电纺丝纳米纤维等高性能的纤维材料已经广泛的在生产和实验中引起了重视，尤其是前两种材料是实际空气过滤材料的主流。将PEO@PAN/PSU复合纤维膜在90L/min的空气流速下与其他的过滤材料性能相比较，玻璃纤维具有高过滤阻力的缺点，熔喷材料有着过滤效率随着表面电荷流失衰减快的缺点。
　　在这些主流过滤材料中，新型的PEO@PAN/PSU复合材料性能脱颖而出，因其超轻的重量3.5g/m2，具有优秀的抗变形能力，在90L/min气流下具有优异的稳定过滤性能，包括9.9986% 的高过滤效率和290Pa的压降。另外PEO@PAN/PSU复合纤维膜相对于玻璃纤维（28g/m2）还具有42g/m2的较高的容尘量。
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