基于静电纺丝技术可控制备仿树枝多级结构纳米纤维过滤材料及其过滤机理研究

With the worsening of air pollution in the world, the nanofiber filter material with thick and thin overlapping structure has become an international hot issue due to its advantages of high efficiency, low resistance and long service life. Based on the hierarchical structure effect of natural tree and the “splitting” mechanism of spinning jet, tree-like nanofiber filter materials are fabricated via one-step electrospinning. This project focuses on the forming process, structure regulation and filtration mechanism of the tree-like nanofiber membrane. With the polyvinylidene fluoride/ tetrabutylammonium chloride (PVDF/TBAC) as the research object, the model of high conductivity spinning droplet and the surface charge distribution are constructed in virtue of Gouy-Chapman-Stern (GCS) double layer theory. Combining the laminar flow theoretical model of viscous fluid dynamics with high speed video camera method, the formation, stable stretching, unstable “splitting” and perturbation mechanism of spinning jet are described. Fractal geometry theory is used to quantitatively describe the fractal dimension of tree-like nanofiber and its pore structure, establish the relationship among the structural parameters, properties and preparation process, and realize the controllable design of product structure. CFD technology is used to simulate gas flow characteristics of tree-like nanofiber membrane, establish filtration model of single tree-like nanofiber, and reveal the pressure loss and filtration mechanism of tree-like nanofiber membrane, which provides experimental and theoretical support for the development of filter media used in high efficiency particulate air (HEPA) filters or ultralow penetration air (ULPA) filters.

世界空气污染日益严重，粗细交叠结构纳米纤维过滤材料具有高效、低阻和长使用寿命的优点，成为国际热点。本项目基于自然树多级结构效应和电纺射流可“劈裂”原理，一步法仿生制备树枝状纳米纤维过滤材料，围绕树枝状纳米纤维膜的成形过程、结构调控及过滤机理等相关问题进行研究。拟以聚偏氟乙烯/四丁基氯化铵纺丝液体系为研究对象，借助 GCS 双电层理论，构建出高电导纺丝液滴模型及表面电荷分布，结合粘性流体动力学的层流理论模型和高速摄像手段，阐述树枝状纳米纤维射流形成、稳定拉伸和不稳定“劈裂”与扰动机制；利用分形几何理论量化描述树枝状纳米纤维及其膜孔隙结构的分形维数，建立结构、性能和制备工艺三者的关联规律，实现产品结构可控设计；借助CFD技术仿真模拟树枝状纳米纤维膜气体流动特性，建立单树枝纳米纤维过滤模型，揭示树枝状纳米纤维膜的压力损失机制和过滤机理，为新型高效或超高效过滤器用过滤介质开发提供实验和理论依据。

本项目基于自然树多级结构效应和电纺射流可“劈裂”原理，将有机支化盐与常规纺丝液配伍，利用静电纺丝技术一步法仿生制备出树枝状纳米纤维膜。通过优化溶液配比、纺丝工艺调控树枝纳米纤维形貌，借助 GCS 双电层理论，建立了高电导纺丝液滴模型和表面电荷分布，结合高速摄像手段揭示枝状纳米纤维射流成形机理，研究了其过滤性能及过滤机理，并验证该方法的普适性，同时探讨了树枝状纳米纤维膜在抗菌防护、防水透湿、吸附催化、油水分离、海水淡化、锂金属电池等领域的应用性能，为电纺树枝状纳米纤维的推广应用奠定基础。研究结果表明：1）将有机支化盐与常规纺丝液配伍，利用静电纺法制备的纳米纤维膜中富含主干纤维（100-1000nm）和分支纤维（5-100nm），该纤维膜力学性能和比表面积是常规电纺纳米纤维膜的3-4倍。2）电纺过程中“扰动”和“劈裂”共存是树枝状纳米纤维成形主要机理，有机支化盐增加了射流的离子电导率，同时降低了射流大分子间作用力，促进射流的“劈裂”；采用该方法亦成功制备出PA6、CA、PLA、TPU、PVP和PMIA等树枝状纳米纤维，验证了该方法具有良好的普适性。3）树枝状纳米纤维膜展现出了优异的空气和液体过滤性能，1.0 g/m2PVDF树枝状纳米纤维膜对0.26 μm的NaCl粒子的过滤效率高达99.999%，滤阻仅约124.2 Pa，达到超高效过滤器U15级标准；在0.1 MPa压力下，对水中0.3 μm的聚苯乙烯微粒的截留率为99.9%，水通量达到23930 L/m2 h；干式空气过滤中，树枝状纳米纤维膜过滤机制由细小分支纤维的物理拦击和静电吸附作用组成，而液体过滤主要依靠细小分支纤维的物理拦击效应。4）通过化学修饰和功能改性，成功制备出系列功能性树枝纳米纤维膜，在医卫防护、防水透湿、吸附催化、油水分离、海水淡化、锂电池等领域的应用均展现出了优异的性能。.项目执行期间发表论文31篇，申请发明专利6项，其中授权2项，共培养研究生6名，其中博士3名，硕士3名，本项目的完成对探究树枝状纳米纤维的成形机理，实现其可控制备及在过滤、防护、催化、能源等领域中的应用具有重要意义。