Page 40 - 《精细化工》2021年第8期
P. 40
·1534· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 38 卷
从目前的研究可以看出，在纤维表面构筑多级 92.0 Pa 的过滤阻力。
结构有助于提升其表面粗糙度，纳米纤维的微观结 除此之外，YANG 等 [36] 将 PAN 串珠纤维和二维
构变化会直接影响到其宏观性能，赋予滤膜独特的 PA6 纳米网组装成具有可调控多孔结构的过滤介
性能和特征。如图 6a 所示，GAO 等 [37] 通过多射流 质，如图 6c 所示。该复合膜具有超薄纳米网和串珠
自由表面静电纺丝法利用支架纳米纤维、超细纳米 状纤维支撑的空腔，在实现高效低阻的同时表现出
纤维和微球制备了具有高孔隙率以及低过滤阻力的 较好的机械性能。图 6d 展示了一种多孔聚（L-乳酸）
三维纳米纤维膜。支架纳米纤维形成一个稳定的框 （PLLA）纳米纤维膜 [43] ，其超高比表面积的多孔结
架，在其中嵌入微球，微球扩大了纤维间的空隙， 构使其对 NaCl 气溶胶颗粒的过滤效率为 99.99%，
从而大大降低了压降，同时直径为 84 nm 的超细纳 过滤阻力为 110.0 Pa。
米纤维与其交错相连，提高了颗粒的碰撞几率，确 1.4 驻极体纳米纤维膜
保了其过滤效率。其在气流速度为 5.3 cm/s 时对 静电效应依赖于颗粒和过滤介质之间的静电
NaCl 气溶胶颗粒的过滤效率达 99.99%，同时过滤 荷。根据纤维和颗粒的带电状态，通常在颗粒的静
阻力仅为 126.7 Pa，微球结构同时改善了纳米纤维 电捕获中会产生两种静电力：库仑力和介电泳力 [45] 。
膜的机械性能。 具有单极性或双极性电荷的颗粒和纤维通过库仑力
相互吸引，或者当颗粒和纤维中的任何一个处于中
性状态时，一个带电会使另一个极化，从而引起介
电泳力的吸引。
经典过滤理论忽略静电效应是因为纳米纤维因
摩擦或微粒感应带上电荷时，这种电荷无法长期存
在，其产生的吸引力极小甚至可以完全忽略。但如
果主动使纳米纤维附带稳定电荷，则静电效应会占
据主导作用。驻极体纳米纤维材料是指一类利用电
荷的静电力作用来捕集空气中尘粒的材料 [46] 。目前
研究表明，静电效应不影响气流，可以在不增加过
滤阻力的情况下提高过滤效率 [47] ，因此，成为非常
有应用前景的新型空气过滤材料。
驻极体纤维膜的制备方法主要有两种：传统的
驻极体纤维膜采用电晕充电、热极化等方法将电荷
注入纤维膜内部使其储存电荷，研究发现，电晕充
电的驻极体纤维膜在过滤中普遍存在电荷注入深度
a—微球结构 [37] ；b—蛛网结构 [39] ；c—串珠结构 [36] ；d—多孔结 浅，易耗散的问题 [48] ；另一种是通过静电纺丝法一
构 [43]
步制备驻极体纳米纤维膜，可以在纺丝过程中将电
图 6 几种典型的特殊结构纳米纤维
Fig. 6 Several typical nanofibers with special structures 荷注入其中。由于驻极体纤维膜主要依靠静电效应
捕获颗粒物，如果滤膜在使用期间电荷衰减，过滤
提高过滤性能需要进一步细化纳米纤维，然而 效率会大幅下降。静电纺丝技术可以一步制备出形
目前制备出的不同种类纳米纤维过滤材料的纤维直 貌可控、电荷储量大、电荷注入深度深的驻极体纳
径多在 100 nm 以上，限制了材料的过滤性能。近些 米纤维膜，从而制备出性能稳定、高效低阻的空气
年，研究人员利用“静电喷网技术”制备出一系列 过滤材料。LI 等 [49] 以聚醚酰亚胺（PEI）为原料，
具有二维网状结构的纳米纤维材料 [36-37,39,43] ，如图 通过对比不同驻极体对纤维形貌和过滤性能的影
6b 所示，该网中的纤维直径小于 20 nm，且具有拓
响，确定了 SiO 2 在 PEI 纤维中分布最均匀。掺杂 SiO 2
扑 Steiner 树结构。纳米蛛网的极细纤维可显著提高 驻极体的复合纳米纤维膜经测试对 300 nm 气溶胶颗
滤膜对颗粒物的过滤效果。张世超 [39] 将 PMIA 纤维 粒的过滤效率高达 99.99%，同时过滤阻力仅为 61 Pa。
溶解在 LiCl/DMAc 中，在混合溶液中添加表面活性 为了保证驻极体纳米纤维在高湿环境下电荷储
剂 DTAB 来调控蛛网覆盖率，通过静电纺丝法制得 存以及过滤性能的稳定性。CAI 等 [50] 设计了一种复
了 PMIA 纳米蛛网纤维膜，结果表明，高蛛网覆盖 合驻极体纤维膜，由具有高电阻的聚苯乙烯（PS）
2
率的纳米纤维膜在克重为 0.365 g/m 时，对 NaCl 微纤维的外层和具有高极性的 PAN 纳米纤维的内层
气溶胶颗粒具有 99.99%的过滤效率，同时可以保证 组成。外层的 PS 纤维扩大了纤维间的距离，减小了
