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    静电纺丝提高过滤介质的性能

    来源:   浏览次数:  更新时间:2015-02-13 09:58:43 

        静电纺最早出现在20世纪初期。1917年,Zeleny J阐述了静电纺丝的原理。1934年,Formhals申请了制备聚合物超细纤维的静电纺丝装置专利;1966年,Simons申请了由静电纺丝法制备超薄、超细非织造膜的专利;1981年,Larrondo等对聚乙烯和聚丙烯进行了熔融静电纺丝的研究;1995年,Reneker研究组开始对静电纺丝进行研究,静电纺丝迅速发展;1999年,Fong等对静电纺丝纳米纤维串珠现象及微观结构作了研究;2000年,Spivak等首次采用流体动力学描述静电纺丝过程,并且提出了静电纺丝的工艺参数;2004年,捷克利贝雷茨技术大学与爱勒马可公司合作生产的纳米纤维静电纺丝机问世。 
      纳米纤维将来最广泛的用途之一是用于过滤材料。利用静电纺丝方法能够得到直径为几十或几百纳米的纳米级纤维、形成的纤维毡重量轻、渗透性好、表面积大、孔隙率高、内部孔隙的连通性好,很适合用作过滤材料。在基布上铺上纳米纤维层复合后,基布的过滤效率可明显提高,纳米纤维层的孔径比基布约小两个数量级,且纳米纤维层孔径分布均匀、离散度小。
      由于人们认识到纳米纤维可以显著提高各种滤材的过滤性能,纳米纤维的研发取得了巨大的进步。纳米纤维(直径小于1微米的超细纤维)技术已经问世了许多年。目前最常用的纳米纤维生产工艺就是静电纺丝。
      静电纺丝是最常用的纳米纤维生产工艺。该工艺用到注射器、喷嘴、毛细管或活动发射器。这些设备提供的聚合物液体在高压静电场作用下被吸引到一个收集区内。当聚合物溶液从发射器拉出时,经过静电区加速,最后通过溶剂挥发形成纤维。
      最初,对于工业化生产来说,静电纺丝的生产效率非常低,增加了纳米纤维的生产成本。静电纺丝还会生产出大量的二维平面结构纤维,缺乏深度或者说是没有Z方向性。这种结构适用于表面过滤,但不适用于深度过滤。静电纺丝纳米纤维通常比较脆弱,容易断裂或从基材表面脱落。因此需要一种改进的纳米纤维,克服目前的静电纺丝纳米纤维所存在的缺点。
      静电纺丝法制备纳米纤维的影响因素很多,这些因素可分为溶液性质,如:粘度、弹性、电导率和表面张力;控制变量,如:毛细管中的静电压、毛细管口的电势和毛细管口与收集器之问的距离,环境参数,如:溶液温度、纺丝环境中的空气湿度和温度、气流速度等。其中主要影响因素包括:
      (1)、聚合物溶液浓度。聚合物溶液浓度越高,粘度越大,表面张力越大,而离开喷嘴后液滴分裂能力随表面张力增大而减弱。通常在其它条件恒定时,随着浓度增加,纤维直径增大。
      (2)、电场强度。随电场强度增大,高分子静电纺丝液的射流有更大的表面电荷密度,因而有更大的静电斥力。同时,更高的电场强度使射流获得更大的加速度。这两个因素均能引起射流及形成的纤维有更大的拉伸应力,导致有更高的拉伸应变速率,有利于制得更细的纤维。
      (3)、毛细管与收集器之间的距离。聚合物液滴经毛细管口喷出后在空气中伴随着溶剂挥发,聚合物浓缩固化成纤维,最后被接收器接收。随两者间距离增大,直径变小。
      (4)、静电纺丝流体的流动速率。当喷丝头孔径固定时,射流平均速度显然与纤维直径成正比。
      (5)、收集器的状态不同,制成的纳米纤维的状态也不同。当使用固定收集器时,纳米纤维呈现随机不规则情形,当使用旋转盘收集器时,纳米纤维呈现平行规则排列。
      新型纳米纤维技术
      相对于传统的电纺工艺,一种新开发的无溶剂纳米纤维涂层技术具有更大的灵活性、可控性和耐久性。
      这种新的纳米涂层通常由直径为0.3-0.5微米的纤维制成,但有时纤维尺寸最高可达1微米。纤维的直径分布和涂层厚度可以根据应用需求的不同而灵活改变。这种纳米纤维技术可以显著改善滤材的过滤性能。
      新的纳米纤维层厚度在15-30微米之间,可以直接涂覆在过滤基材上。这种纳米纤维涂层可以涂覆在各种无纺布基材上,例如玻纤、木浆纸或合成纤维,而电纺纤维需要依靠树脂来粘结。纳米纤维技术可以在基材上制备单层或双层纳米涂层,第二层可以采用相同或不同的聚合物制成。
      过滤基材的成分由滤材的特定应用决定,可以通过使用不同结构的基材,达到所需的结构性能,例如硬度、强度、打褶性和耐高温性。
      如前所述,支撑基材或底层材料可以根据目标应用场合而改变。对于中型空滤、燃气轮机、汽车空气过滤和脉冲清灰应用,大多选用木浆纸或合成纤维-木浆纸混合基材。在HVAC、液体过滤、汽车座舱空气过滤和HEPA过滤中,支撑基材可以选用木浆纸、玻纤、合成纤维、365滚球网站和熔喷无纺布。
      不同的纳米纤维层可以根据应用的需求涂布于滤材的不同位置上。例如,在汽轮机或重型空滤应用中,纳米纤维层可以放置在过滤基材的迎风面,以提高表面过滤性能。纳米纤维层也可以放置在过滤基材的出风面,以提高深度过滤性能,捕获介质内部的微粒。
      纳米纤维涂层滤材的应用
      纳米纤维可以提高滤材的过滤性能。这种性能的改进可以在汽车进气过滤、计算机硬盘驱动器的通风口过滤和高效过滤应用中体现出来。对于汽车座舱空气过滤器,微粒的去除关系着乘客的舒适性和健康。纳米纤维在活动式和固定式发动机以及工业过滤应用中可以改进过滤性能。
      对于发动机、燃气轮机和燃烧炉,去除空气流中的颗粒是非常重要的,因为这些颗粒会导致内部部件的重大损坏。另外,在其他场合,如气体生产或汽车尾气和工业废气中可能含有破坏性的颗粒物质,去除这些颗粒可以保护下游的设备,将废弃物对环境的污染降至最低。
      这种新型的耐久性纳米涂层也可用于自洁式或脉冲清灰过滤器。在滤材迎风面形成的灰饼可以利用反脉冲气流除去,从而使滤材再生。当脉冲回冲使滤材表面受到强力冲击时,振动波从过滤器内部穿过基材到达纳米纤维层后,与基材粘结不强的纳米纤维可能会因此剥离。新型纳米纤维滤材与基材有很好的粘合性,且纳米纤维涂层本身具有持久的结构稳定性、更高的过滤效率和较低的压降,使其在脉冲清灰应用中具有较长的使用寿命和较高的效率。
      在重型空滤、除尘器和洁净设备中,纳米纤维层被用在滤材的迎风面。而在诸如汽车进气、座舱空滤、燃油和润滑油的过滤中,纳米纤维层被置于滤材的出风面,以捕集微粒并将其限制在空气过滤介质中,大大提高过滤效率,同时获得更高的效率和容尘量。
      结果表明,纳米纤维涂覆的材料比标准木浆纸具有更好的可清洁性。自洁式过滤器有两个主要功能:确保微粒不会渗透或穿过滤材和非常高的过滤效率。
      对于燃气轮机,高效滤材可以防止涡轮叶片受到灰尘颗粒的破坏。对于灰尘浓度较高的工业过滤或处于多风沙环境下的燃气轮机,高效深度过滤器并非最佳解决方案,因为过滤器中的空气通道会被灰尘切断。表面过滤可以将截获的灰尘聚集在过滤器的表面,并形成一个均匀的灰饼,使压降缓慢上升。
      滤材迎风面的纳米纤维层可以防止灰尘进入滤材内部,从过滤一开始,几乎所有的微粒都被截留在滤材的表面,形成一个粘在一起的结构均匀的灰饼,从而得到稳定的流阻。理想情况下,灰饼应该整块去除,这样就不会有微粒进入滤材内部。否则,灰饼在清洗过程中会被撕破,残余的微粒进入到滤材内部不能有效去除,将导致压降升高。
      膜式和无纺布式过滤器被业界广泛使用,用于从液体或气体中分离固体。其中既有常规过滤器,如用于进气口的简单滤尘器,也有重要的过滤器,如防止肾衰竭的透析过滤器。
      通常根据成本、处理的便利性和性能要求等因素来考虑过滤介质的选择。许多不同的材料都可供使用,但是在需要反复使用过滤器的场合,不论它们经常工作在多么恶劣的环境下,包括清洁过程,都必须保证在产品的整个使用寿命期内,过滤介质的孔径始终保持统一性和一致性。
      为了达到这种程度的可靠性,传统上一直采用具有高抗性和刚性的聚合物来制造可复用的过滤介质,例如聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。但是,这些材料相当贵,而且需要经过复杂的化学处理才能获得更多的性能优势。所以,更理想的情况是,使用一种更廉价的,易于成形的过滤介质,然后应用其他的工艺来改变其表面性能,以获得期望的拒液性。
      非织造过滤材料正逐步取代传统材料成为过滤材料的主流,而纳米纤维过滤材料具有优越的过滤性能。静电纺纳米纤维由于直径小,具有很大的比表面积,在成型的网毡上有很多微孔,因此有很强的吸附力以及良好的过滤性能。但纳米纤维毡的强度低、机械性能差,所以需要增加基布来提高强度。同时还有许多其他问题有待解决。例如,纳米纤维过滤材料结构的控制与性能的稳定,新技术的开发与利用等。因此,需进一步研究有关静电纺纳米纤维毡的集合体微观结构与其性能之间关系,利用静电纺丝简单、快捷制造纳米级纤维的特点与其它研究领域相结合,达到性能互补,提高静电纺纳米纤维过滤材料的应用价值,实现成果产业化研究。     



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