可控多级微纳米纤维集合体过滤材料的制备及其过滤与透气机理研究

In our previous study, it’s found that the reduction of fiber diameter was helpful for improving the filtration efficiency and air permeability of nonwoven fabrics, therefore, the design and fabrication of filters with controllable structure and fiber diameter is proposed in this study. The proposed idea could be realized by raw materials with different melt indexes, multi-stage melt blown process, or combined melt blown/electrospinning technical method. Subsequently, a systematical investigation of relationships among “process – structure – performance” will be carried out, the relationship between the structure of fiber assembly in micro/nano-scale and its filtration efficiency & air permeability will be elaborated, the mechanism and theoretical mathematical model of filtration & air permeability of fiber assembly in micro/nano-scale will be further discovered and improved. This project would provide some theoretical guidance and would be beneficial to the design, production and application of air filters.

前期研究发现通过减小纤维直径能够有效提升纤维集合体过滤材料对空气中微粒的过滤效率并改善其透气性能；据此提出设计并制备纤维直径与纤维集合体结构可调控的多级微纳米纤维集合体空气过滤材料；采用不同融指数的聚丙烯原料、熔喷技术、以及复合熔喷/静电纺技术及产品等方法进行制备；对“工艺参数-结构特性-性能”关系进行系统性研究与分析，重点阐明微纳米尺度下纤维集合体结构特性与其过滤及透气性能间的关系；揭示微纳米尺度下的透气与空气过滤机理；完善纤维集合体空气过滤理论模型；为纤维集合体结构空气净化滤材的设计、生产与应用提供思路并奠定理论基础。

纤维直径是影响纤维体空气过滤材料过滤效率和压降的重要因素。经典的空气过滤理论是建立在对微米级纤维分析的基础上，而随着纳米纤维技术的快速发展，越来越多的纤维空气过滤材料已采用了纳米纤维。因而，为了更好的设计开发与应用纳米纤维体空气过滤材料，理解其过滤机理尤为重要。此外，由于纳米纤维存在力学性能不足的缺陷，在应用时需将其负载到微米纤维上，从而构建多级微纳米结构。.基于以上研究背景，本项目主要研究微纳米纤维集合体过滤材料的制备与结构调控、微纳米纤维体“工艺参数-结构特性-性能”关系研究、以及微粒尺寸与气流速度、纤维直径、孔径尺寸的关系研究。.在研究熔喷技术制备微米纤维体的过程中，发现通过增加原料挤出量、增大纤维接收距离与降低热风温度能够增大纤维直径、增大纤维集合体孔径与蓬松度，从而降低其压降，反之亦然。在研究静电纺丝制备纳米纤维的过程中，发现纳米纤维集合体均体现了优异的过滤效率，然而压降普遍较高，通过增加溶液浓度、加大电压、减小纤维接收距离能够增大纤维直径，从而降低压降，反之亦然。此外，通过调控溶液体系与工艺参数，实现了纳米纤维表面结构的调控与“树-枝”结构纳米纤维的制备，进一步实现了微纳纤维集合体结构的调控。在研究纤维体空气过滤材料过滤机理过程中，发现对于惯性碰撞效应起主导作用的大粒径，过滤效率呈现随粒径增大而增大的趋势；随着入口速度的增大，前端的纤维过滤阻力增加，更利于颗粒捕获，提高过滤效率；相同粒径下，颗粒的表面能越小，捕集效率越高；颗粒间恢复系数对直径为2-3μm的颗粒影响较小，对粒径为4μm及以上的颗粒，捕集效率先增加再减少后趋于稳定状态，恢复系数为0.5时综合捕集效果最好；粘性颗粒的粒径为2μm时颗粒沉积量小，粒径在3μm及以上时，随着粒径增大，拦截捕获作用明显，粘附效率明显提升。. 本项目的研究完善了纤维体空气过滤材料的过滤机理，能够为微纳米纤维集合体空气过滤材料的设计与开发提供理论指导。