《先进功能材料》发表我校二维网状
纳米纤维空气过滤材料制备的最新研究成果

发布时间:2019-07-24发布部门:纺织科技创新中心

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近日,东华大学纺织科技创新中心俞建勇院士及丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队在二维网状纳米纤维空气过滤材料研究领域取得重要进展,相关成果以《具有蓬松双网结构的纳米蛛网/纤维实现高效低阻空气过滤》(A Fluffy Dual-Network Structured Nanofiber/Nets Filter Enables High-Efficiency Air Filtration, DOI: 10.1002/adfm.201904108)为题,发表于国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。该论文共同第一作者为纺织学院2016级博士生刘惠和材料学院2013级博士生张世超(现美国西弗吉尼亚大学博士后)。

当前,雾霾污染问题日益严重,对人体健康、生态环境及全球经济造成了严重危害,急需加强防护与治理。纤维类过滤材料因具有成本低、适用范围广、易于规模化制备等特点,而被广泛应用于空气过滤领域。然而,现有纤维空气过滤材料普遍存在直径粗、孔径大、孔隙率低等缺陷,导致其仍面临材料厚重、堆积结构单一、过滤效率和空气阻力难以同步优化等局限性,严重限制了材料应用性能的大幅提升。

针对上述问题,研究团队以高偶极矩聚合物聚丙烯腈为原料,利用新型湿度诱导“静电纺/喷”技术,借助离子-偶极相互作用提升溶液荷电能力,促进了泰勒锥尖端荷电流体的可控喷射,进而通过调控环境湿度氛围,诱导控制聚合物溶液体系的相分离速度与程度,实现了射流、液滴的同步形变/相变/自组装,获得了具有蓬松双网结构的纳米蛛网/纤维空气过滤材料。该材料中二维超细(~20 nm)纳米蛛网与蓬松纳米纤维支架网络紧密溶接,从而形成了稳定的双网络结构,并赋予了材料孔径小(<300 nm)、孔隙率高(93.9%)、堆积密度低(0.18g cm-3)、表面化学极性强(偶极矩4.3 D)等特点。

(蓬松双网结构纳米蛛网/纤维制备过程、微观结构及空气过滤应用示意图)

材料中二维纳米蛛网结构具有直径细、孔径小的特性,不仅提升了材料对超细颗粒物的吸附、筛分作用,还显著增强了其空气滑移效应;同时,准三维纳米纤维支架网络体现出了堆积蓬松、孔隙率高的优势,从而有效促进了气流在纤维间的渗透扩散,大幅降低了材料的空气阻力。结合上述两种结构优势,该双网结构纳米蛛网/纤维材料可实现对空气中超细颗粒物的高效低阻过滤,其对最易穿透粒径颗粒物PM0.3的过滤效率高达99.99%,阻力压降仅为大气压的0.11%;同时,可快速净化室内空气PM2.5,且具有长效循环使用性能。

(蓬松双网结构纳米蛛网/纤维材料的空气过滤性能展示)

该工作中提出的构筑蓬松双网结构纳米纤维材料的策略,不仅为制备高性能纳米蛛网/纤维空气过滤材料提供了新思路,也为新型高效过滤/分离材料的设计与开发提供了指导与借鉴。该研究成果得到了国家自然科学基金、上海市科委项目的大力资助。





视频:   摄影: 撰写:刘惠  信息员:曹谦芝  编辑:孙庆华

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