PAN/CA复合纳米纤维的制备及性能表征

论文摘要

由于静电纺丝技术制备的纳米纤维具有小直径、大比表面积和高孔隙率等优良特性,纳米纤维膜在过滤领域表现出优异的性能。然而,当前有关纳米纤维膜结构参数与过滤性能关系的研究不够全面,一方面影响了纳米纤维过滤性能的基础研究,另一方面也限制了纳米纤维滤材的实际应用。因此,对纳米纤维膜的过滤性能进行系统研究十分必要。聚丙烯腈(PAN)和醋酸纤维素(CA)都是常用的膜过滤材料,PAN纤维润湿性较差,而CA是天然可降解纤维,具有较好吸湿性,两者共混可以优势互补,通过调节PAN、CA的混入比例制备的纳米纤维膜,可适用于不同过滤领域。本文采用自组装的静电纺丝设备,制备PAN/CA复合纳米纤维膜。采用红外光谱(FTIR)对PAN/CA复合纤维膜进行分析;利用扫描电子显微镜(SEM)和Photoshop软件对不同静电纺丝工艺参数下制备的纳米纤维进行形貌观察和直径比较,利用单因素和正交试验得出了最佳工艺参数;对比测试了纯PAN纳米纤维膜和质量比为90/10、80/20的PAN/CA复合膜的力学基本性能、润湿性能;分别采用图像处理方法和密度法测试了纤维膜的孔隙率;采用孔径分析仪对PAN/CA纳米纤维膜及PLA纺粘无纺布的孔径分布进行了测试;采用细菌过滤器及滤料分析仪测试了复合纳米纤维膜的滤菌及空气过滤性能,并探讨了过滤机理。结果显示:(1) PAN/CA质量比为90/10的复合纳米纤维膜与纯PAN纳米纤维膜相比,断裂强度和伸长率分别增加了37.7%和4.42%;(2) PAN与CA之间存在无定形区的分子级相容;(3) PAN/CA纳米纤维直径随纺丝液质量分数的增加而变大,随纺丝电压增加而变小,随纺丝速度增加而变大,随接收距离的增加而变小;纺丝液浓度为11%,电压为18kV,距离为15cm,纺丝速度为0.6ml/h时,可获得平均直径为100~130nm、平均孔径为1.26μm的纳米纤维;(4)图像法测试孔隙率的方法简单易行、直观性强,与密度法比较误差仅为4.07%,可替代密度法;(5) CA的加入改善了PAN的润湿性;PAN/CA复合纳米纤维膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的滤菌效率高达98%以上,具有优异的滤菌性能;(6)纳米纤维主要依靠静电作用、直接拦截、布朗运动等机理发挥过滤作用。在非织造基布上沉积5min的纳米纤维后,对5.0μm粒子的过滤效率达到了99.65%;在基布上沉积10min的纳米纤维后,对2.0μm粒子的过滤效率达到了98.98%,能满足高效过滤的要求,体现了纳米纤维在精密过滤领域的优势。展望采用多喷头的方式得到高效过滤材料,以期实现产业化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米纤维概述
• 1.2 静电纺丝技术
• 1.2.1 静电纺丝法原理
• 1.2.2 静电纺丝过程中的影响因素
• 1.2.3 纳米纤维的性能及应用
• 1.3 聚丙烯腈、醋酸纤维素的性能及应用
• 1.3.1 聚丙烯腈的性能及应用
• 1.3.2 醋酸纤维素的性能及应用
• 1.4 静电纺丝过滤材料的国内外研究现状
• 1.4.1 静电纺丝过滤介质的国外研究现状
• 1.4.2 静电纺丝过滤介质的国内研究现状
• 1.5 静电纺丝作为高效过滤材料的应用现状
• 1.6 静电纺丝纳米纤维过滤机理分析
• 1.6.1 过滤的分类
• 1.6.2 过滤机理
• 1.6.3 过滤材料的质量评价指标
• 1.6.4 影响过滤介质的过滤性能的主要因素
• 1.7 本课题研究的主要内容
• 1.8 本课题研究的意义
• 第二章 PAN/CA 复合纳米纤维的制备
• 2.1 PAN/CA 复合纺丝液的准备和纳米纤维的制备
• 2.1.1 材料与设备
• 2.1.2 纳米纤维的制备
• 2.1.3 纺丝液黏度及电导率测定
• 2.1.4 扫描电镜（SEM）观察
• 2.1.5 红外（IR）测试
• 2.1.6 不同质量比纳米纤维膜力学性能测试
• 2.2 试验结果与分析
• 2.2.1 不同PAN/CA 质量比纺丝液黏度及电导率
• 2.2.2 不同PAN/CA 质量比纳米纤维膜形貌观察及直径分布分析
• 2.2.3 不同PAN/CA 质量比纳米纤维膜的力学性能
• 2.2.4 PAN、PAN/CA、CA 的红外（FT-IR）测试
• 2.3 本章小结
• 第三章 纺丝工艺对PAN/CA 复合纳米纤维形貌及结构的影响
• 3.1 实验
• 3.1.1 主要实验试剂和设备
• 3.1.2 纺丝液配置
• 3.1.3 纳米纤维的制备
• 3.1.4 纳米纤维形貌的观察
• 3.2 单因素分析
• 3.2.1 溶液浓度的影响
• 3.2.2 纺丝距离的影响
• 3.2.3 纺丝电压的影响
• 3.2.4 纺丝速度的影响
• 3.3 静电纺丝工艺参数的优化
• 3.4 孔径大小及分布
• 3.4.1 原理
• 3.4.2 实验仪器
• 3.4.3 实验材料
• 3.4.4 操作步骤
• 3.4.5 测试结果与分析
• 3.5 孔隙率测试
• 3.5.1 密度法测试孔隙率
• 3.5.2 图像处理测试孔隙率
• 3.5.3 结果与讨论
• 3.6 透气性能测试
• 3.6.1 实验仪器
• 3.6.2 实验材料
• 3.6.3 实验方法
• 3.6.4 实验结果及分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 纳米纤维膜的润湿及过滤性能研究
• 4.1 润湿性能分析
• 4.2 滤菌性能测试
• 4.2.1 实验仪器与材料
• 4.2.2 实验步骤
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.3 空气过滤性能测试
• 4.3.1 仪器与材料
• 4.3.2 操作步骤
• 4.3.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 结论
• 5.2 不足之处
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文