眾所周知,納米纖維膜由于具有小孔徑和高比表面積,具有很好的顆粒物過濾性能,被用作很多防霾神器的過濾層。不過,在使用一段時(shí)間后這種納米纖維膜不可避免會(huì)出現(xiàn)較大壓降。一些科學(xué)家將多個(gè)納米纖維膜層疊在一起制備出了3D的過濾介質(zhì),獲得了更高的過濾效率,然而其依然存在隨使用時(shí)間的增長,過濾效率和壓降降低的問題。

近日,來自蘇黎世應(yīng)用科學(xué)大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)表了一項(xiàng)研究成果,他們利用靜電紡絲法制備了納米纖維,并用其制備成了納米纖維氣凝膠,并可以有效控制其孔隙率和微觀結(jié)構(gòu),將其用作過濾器,發(fā)現(xiàn)其具有很高的過濾效率,且在高過濾速度時(shí)不會(huì)顯著降低過濾效率。

據(jù)該研究論文,這種3D納米纖維氣凝膠的制備過程如下:

首先是納米纖維膜的制備。通過將4g Pul和6g PVA溶解在90g水中來制備復(fù)合Pul/PVA復(fù)合納米纖維。使用靜電紡絲機(jī)對溶液進(jìn)行靜電紡絲。納米纖維被圓柱形電極和16cm的收集器紡成80kV高壓的納米纖維膜。在靜電紡絲過程中,溫度和濕度分別為26±3°C和26±4%RH。 最終可以獲得直徑為240±55nm的均勻納米纖維。

納米纖維氣凝膠:下一代高性能過濾器

納米纖維氣凝膠制備的主要步驟

隨后制備納米纖維氣凝膠。對于熱交聯(lián)后表觀密度為48.91mg/mL,孔隙率為96.64%的納米纖維氣凝膠的制備過程如下:將10mg先前制備的納米纖維膜切成約1×1cm2的小塊,并分散在100mL 1,4-二惡烷中。將納米纖維膜片進(jìn)一步切割,并通過勻漿器在13000rpm下分散20分鐘以獲得纖維長度分布為48.8±30μm的納米纖維。隨后將均勻分散的纖維倒入模具中,抽真空并以特定速率冷凍。然后將冷凍的固體冷凍干燥48小時(shí)得到納米纖維氣凝膠。最終將原始納米纖維氣凝膠在180℃下熱交聯(lián)40分鐘。通過控制冷凍條件可以制備不同孔徑的納米纖維氣凝膠。

納米纖維氣凝膠:下一代高性能過濾器

研究人員提出的不同過濾介質(zhì)的過濾機(jī)理示意圖

研究人員研究了不同過濾器的過濾性能特征和機(jī)理,他們認(rèn)為不同介質(zhì)過濾的機(jī)理不同,對于單獨(dú)的納米纖維主要以擴(kuò)散、攔截、妨礙來捕獲顆粒,而納米纖維膜過濾時(shí)粒子的擴(kuò)算速度很短,在高粒子負(fù)荷下會(huì)在主要孔隙中很快形成濾餅。納米纖維氣凝膠過濾則與前兩者不同,其通過二級孔徑獲得了很大的擴(kuò)散通道,表現(xiàn)為錯(cuò)流過濾的形式,能夠有效降低壓降和增加容塵量。

進(jìn)一步研究人員發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整納米纖維氣凝膠的孔隙率,可以將滲透顆粒數(shù)量減少1000倍。他們通過在納米纖維氣凝膠中引入分層開孔結(jié)構(gòu),粒子的擴(kuò)散速度不再成為過濾器過濾效率的限制因素,因此可以在很高的面速度下穩(wěn)定工作,當(dāng)面速度增加到6cm/s時(shí),過濾效率仍能保持在10的高因子范圍。

氣凝膠用于過濾的場景并不新鮮,但是來自歐洲的這些科學(xué)家們對其過濾機(jī)理全面的研究值得稱道,并且該團(tuán)隊(duì)獲得了具有商業(yè)應(yīng)用級別過濾性能的納米纖維氣凝膠,有望推進(jìn)其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,堪稱下一代高性能過濾器。

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