驻极纳米纤维空气过滤材料研究取得重要进展

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我校纺织学院青年教师印霞指导学生在驻极纳米纤维空气过滤材料研究方面取得突破性进展。

相关研究成果以 “Electret Polyvinylidene Fluoride Nanofibers Hybridized by Polytetrafluoroethylene Nanoparticles for High-Efficiency Air Filtration” 为题发表在界面材料研究领域的权威杂志《ACS Applied Materials & Interfaces》上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8: 23985-23994)。

研究背景

严峻的雾霾污染急需高效空气过滤材料，然而，实现高过滤效率的同时满足低压阻的要求是空气过滤材料一直面临的重大难题。

与普通纤维相比，静电纺纳米纤维直径更小，比表面积更大，如能实现它的稳定驻极化，其高效低阻过滤性能具备更大的提升空间。但如何使纤维具有高电荷密度、同时抑制其电荷的衰减以保证驻极的长效稳定也是长期以来面临的挑战。

研究介绍

研究者采用含氟的聚合物PVDF纳米纤维并掺杂高含氟PTFE纳米颗粒制备了电荷密度高、带电效果稳定的纳米纤维膜过滤材料。

高含氟PTFE纳米颗粒在静电纺原位施电过程中起到电荷增强剂的作用，再结合高能量注入的方法，所获得的驻极纳米纤维膜在PTFE颗粒浓度达到0.05wt%时比纯PVDF纳米纤维膜的表面电势从0.42kV增长到3.63kV，电荷的衰减也从75.4%降低到17.5%,电荷密度和驻极稳定性都得到了大幅度提高。

驻极纳米纤维空气过滤膜驻极机理示意图及其过滤性能展示

与此同时，研究者还对该驻极纳米纤维膜的驻极机理进行了分析，认为其优异的驻极性能一方面是由于含氟聚合物的极性较大，产生的极化电荷（比体积电荷、表面电荷更稳定）较多，另一方面PVDF纳米纤维和PTFE纳米颗粒因电荷输运能力不同而在其界面上易形成界面电荷，从而大幅增加了电荷密度。

随着掺杂PTFE纳米颗粒浓度的增加，纳米纤维膜中的极化电荷和界面电荷增加；同时，纳米纤维膜中电荷的深度也随着注入能量的增加而增加，上述分析也得到了热刺激放电法测试（TSD）以及表面电势测试数据的证实。

研究成果

研究者提供了一种高密电荷、长效稳定驻极纳米纤维过滤材料的制备方法，所获得的驻极纳米纤维过滤膜展现了优异的过滤性能，其过滤效率高达 99.972% ，空气阻力仅为 57Pa ，且表现出良好的过滤性能稳定性，有望成为一种新型的高性能过滤材料，满足防雾霾等过滤材料高效低阻的实际需求。

该研究工作获得了国家自然科学基金青年基金项目(No. 51503030)和上海市科委青年英才“扬帆”计划项目(No. 51006060)的大力资助。

文章来源：纺织学院