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東華大學二維網狀納米纖維空氣過濾材料研究獲新進展

東華大學二維網狀納米纖維空氣過濾材料研究獲新進展
《高分子科學前沿》微信公眾號 / 時間:2019-07-29 14:26:34

  據高分子科學前沿微信公眾平臺2019年7月13日訊 當前,大氣中的霧霾污染問題對人體健康、生態環境及全球經濟造成了嚴重危害,急需加強防護與治理。纖維類過濾材料因具有成本低、適用范圍廣、易于規?;苽涞忍攸c而被廣泛應用于空氣過濾領域。然而,現有纖維空氣過濾材料普遍存在直徑粗、孔徑大、孔隙率低等缺陷,導致其仍面臨材料厚重、堆積結構單一、過濾效率和空氣阻力難以同步優化等局限性,嚴重限制了材料應用性能的大幅提升。 
  針對上述問題,東華大學俞建勇院士和丁彬教授帶領的納米纖維研究團隊以高偶極矩聚合物聚丙烯腈為原料,利用新型濕度誘導“靜電紡/噴”技術,制備出了直徑細、孔徑小、孔隙率高且具有蓬松雙網結構的納米蛛網/纖維高效低阻空氣過濾材料。通過借助離子-偶極相互作用提升溶液荷電能力,促進了泰勒錐尖端荷電流體的可控噴射,進而通過調控環境濕度氛圍,誘導控制聚合物溶液體系的相分離速度與程度,實現了射流、液滴的同步形變/相變/自組裝,獲得了具有蓬松雙網結構的納米蛛網/纖維空氣過濾材料。該材料中二維超細(~20nm)納米蛛網與蓬松納米纖維支架網絡緊密溶接,從而形成了穩定的雙網絡結構,并賦予了材料孔徑?。ǎ?00nm)、孔隙率高(93.9%)、堆積密度低(0.18g cm-3 )、表面化學極性強(偶極矩 4.3 D)等特點。


東華大學二維網狀納米纖維空氣過濾材料研究獲新進展

蓬松雙網結構納米蛛網/纖維制備過程、微觀結構及空氣過濾應用示意圖


  材料中二維納米蛛網結構具有直徑細、孔徑小的特性,不僅提升了材料對超細顆粒物的吸附、篩分作用,還顯著增強了其空氣滑移效應;同時,準三維納米纖維支架網絡體現出了堆積蓬松、孔隙率高的優勢,從而有效促進了氣流在纖維間的滲透擴散,大幅降低了材料的空氣阻力。結合上述兩種結構優勢,該雙網結構納米蛛網/纖維材料可實現對空氣中超細顆粒物的高效低阻過濾,其對最易穿透粒徑顆粒物 PM0.3 的過濾效率高達 99.99%,阻力壓降僅為大氣壓的 0.11%;同時,可快速凈化室內空氣 PM2.5,且具有長效循環使用性能。


東華大學二維網狀納米纖維空氣過濾材料研究獲新進展

蓬松雙網結構納米蛛網/纖維材料的空氣過濾性能展示


  該工作中提出的構筑蓬松雙網結構納米纖維材料的策略,不僅為制備高性能納米蛛網/纖維空氣過濾材料提供了新思路,也為新型高效過濾/分離材料的設計與開發提供了指導與借鑒。研究成果以“A Fluffy Dual-Network  Structured Nanofiber/Nets Filter Enables High-Efficiency Air Filtration”為題發表在Advanced Functional Materials上,文章DOI: 10.1002/adfm.201904108。論文共同第一作者為紡織學院博士生劉惠和材料學院博士畢業生張世超。該研究工作得到了國家自然科學基金、上海市科委項目的大力資助。


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