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《先进功能材料》发表我校在高效自极化驻极纳米蛛网空气过滤材料制备领域的最新研究成果

发布时间: 2020-02-13

近日,我校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高效驻极纳米蛛网空气过滤材料研究领域取得了重要进展,相关成果以《高效自极化驻极纳米蛛网空气过滤材料》(High-Performance PM0.3 Air Filters Using Self-Polarized Electret Nanofiber/Nets, DOI: 10.1002/adfm.201909554)为题,发表于材料领域著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。该论文共同第一作者是纺织学院博士生刘惠和国际博士后张世超。

空气中的颗粒物污染问题对人类健康及全球环境造成了严重危害,尤其是具有最易穿透粒径(~300 nm)的微细颗粒物(PM0.3),因其尺寸小、穿透力强、易携带大量致病微生物而危害性最强,急需对其加强防护与治理。纤维类过滤材料因成本低、性价比高等特点被广泛应用于空气中的有害颗粒物过滤。然而,现有纤维空气过滤材料普遍存在直径粗、孔径大、表面缺乏吸附性等缺陷,导致微细颗粒物PM0.3极易穿透而无法有效捕获,严重限制了材料的实际应用。

针对上述问题,研究团队受自然界蜘蛛丝集灰、壁虎平滑表面自由游走等现象的启发,以聚偏氟乙烯为原料,利用原位驻极静电纺/喷技术,一步制备出了一种兼具小孔径与强表面吸附作用的自极化驻极纳米蛛网材料。通过调控电场强度及纺丝液本体性质,实现了荷电液滴喷射-形变相变的精确控制以及聚合物分子晶型结构的同步转变(α转变为β),大幅提升了材料中二维纳米网状结构的覆盖率和聚合物分子的偶极矩,获得了兼具小孔径(~0.26 μm)与高极化电荷含量(表面电势6.8 kV)的驻极纳米蛛网材料。该材料对最易穿透颗粒物PM0.3表现出显著增强的拦截以及吸附作用,过滤效率可达99.998%,阻力压降仅为大气压的0.1%。同时,由于聚合物的自极化驻极特点,使得材料中的电荷具有长效稳定性及抗环境干扰性,在不同环境湿度条件下,其过滤效率基本保持不变(在极端湿度90%下,效率仅由初始的99.98%下降为99.93%)。此外,因纳米蛛网具有极细纤维直径(~21 nm)以及超薄厚度,该材料在过滤效率>99.97%时仍具有优异的透光性能(84%),为其作为透明窗纱的使用提供了可能。

图1 自极化驻极纳米蛛网材料的制备、理化结构及空气过滤应用示意图


图2 自极化驻极纳米蛛网材料的过滤性能、透光性能与长效稳定性

该工作中提出的构筑兼具小孔径与高吸附性的自极化驻极纳米蛛网空气过滤材料的策略,不仅为制备高性能、长效稳定、抗环境干扰驻极微细颗粒物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项目的大力资助。

撰写:刘惠