拦截病毒用纳米蛛网过滤膜的可控制备及成型机理研究

开发可有效拦截尺寸在60-120nm流感病毒的口罩用过滤材料是当前卫生防护领域迫切需要解决的关键问题。申请者现制备出一种以静电纺纤维为支架的、具有类似于蜘蛛网结构的新型二维网状过滤材料（纳米蛛网），网中纤维的平均直径小于20nm，比普通静电纺纤维低一个数量级。纳米蛛网是由聚合物溶液泰勒锥喷出射流时伴生的微小带电液滴在电场飞行中受力形变和相分离形成的，这一新颖的纳米蛛网构筑过程被称为"静电喷网"。本项目主要研究纳米蛛网的形态生成与演变过程，揭示原液特性与加工参数对纳米蛛网形成的影响规律，建立静电喷网过程多相流数理模型，完善蛛网介观形态结构调控的科学方法；明确纳米蛛网过滤膜具有低阻力压降、高过滤效率所需要的本体条件，探索其在流感病毒防护口罩中的特效应用，实现纳米蛛网过滤膜对病毒的过滤效率达到99.99%以上的目标，以满足卫生防护领域的迫切需求。

本课题“拦截病毒用纳米蛛网过滤膜的可控制备及成型机理研究”旨在考察纺丝原液性质及加工参数对二维纳米蛛网形态及结构的影响，揭示纳米蛛网的成形机理，实现二维纳米蛛网材料的可控制备及其在高效空气过滤领域的应用。从2012年初开始到2015年末这四年的时间里，开展了大量的实验研究工作：首先，我们研究了聚合物浓度、溶剂种类及性质、表面张力、电导率、电压、环境温湿度对纳米蛛网成型过程的影响，实现了纳米蛛网形态结构的精确调控，掌握了纳米蛛网可控制备的科学方法，制备了9种聚合物纳米蛛网材料；借助Rayleigh稳定极限模型与Boltzmann流体力学模拟方法深入分析了静电喷网过程，研究了泰勒锥在外加电场中的亚稳状态以及微小带电液滴在高速飞行中的形变规律，提出了两种基于不同荷电流体形态的喷射模式，确立了微小带电液滴产生的临界阈值，掌握了提高微小带电液滴产生概率的关键规律，同时提出了非稳区旋节线相分离成网理论，构建了微小液滴热致相分离理论相图，并通过蛛网成型实验对该理论予以了验证；通过将静电喷网、多射流喷射、逐层沉积等技术相结合，制备了以纳米蛛网膜为核心滤材的聚酰胺66、聚酰胺6-聚丙烯腈、聚酰胺6/聚丙烯腈/聚酰胺6复合纳米蛛网过滤膜材料，探究了纳米蛛网覆盖率、支架纤维形态、孔径、孔隙率及纤维膜厚度、克重、风速对复合膜过滤性能的影响。经过四年的研究，我们顺利完成了任务书中规定的任务，制备的纳米蛛网/无纺布复合过滤膜材料实现了对平均粒径为300nm的微细颗粒物（病毒模拟物）过滤效率达99.999%，阻力压降仅120Pa的目标。项目执行期间共培养博士4名，硕士6名，其中3名博士、4名硕士已经毕业。发表学术论文52篇，申请发明专利19项，授权专利6项。本课题的完成对探究二维纳米蛛网的成型机理，实现其可控制备及在病毒过滤用口罩滤材中的应用具有重要意义。