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(guò)濾性能，被用作很多防霾神器的過(guò)濾層。不過(guò)，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(guò)濾介質(zhì)，獲得了更高的過(guò)濾效率，然而其依然存在隨使用時(shí)間的增長(zhǎng)，過(guò)濾效率和壓降降低的問(wèn)題。
近日，來(lái)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(guò)濾器，發(fā)現(xiàn)其具有很高的過(guò)濾效率，且在高過(guò)濾速度時(shí)不會(huì)顯著降低過(guò)濾效率。
據(jù)該研究論文，這種3D納米纖維氣凝膠的制備過(guò)程如下：
首先是納米纖維膜的制備。通過(guò)將4g Pul和6g PVA溶解在90g水中來(lái)制備復(fù)合Pul/PVA復(fù)合納米纖維。使用靜電紡絲機(jī)對(duì)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(guò)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。
納米纖維氣凝膠制備的主要步驟
隨后制備納米纖維氣凝膠。對(duì)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(guò)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(guò)勻漿器在13000rpm下分散20分鐘以獲得纖維長(zhǎng)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(guò)控制冷凍條件可以制備不同孔徑的納米纖維氣凝膠。
研究人員提出的不同過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾機(jī)理示意圖
研究人員研究了不同過(guò)濾器的過(guò)濾性能特征和機(jī)理，他們認(rèn)為不同介質(zhì)過(guò)濾的機(jī)理不同，對(duì)于單獨(dú)的納米纖維主要以擴(kuò)散、攔截、妨礙來(lái)捕獲顆粒，而納米纖維膜過(guò)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(guò)濾則與前兩者不同，其通過(guò)二級(jí)孔徑獲得了很大的擴(kuò)散通道，表現(xiàn)為錯(cuò)流過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)濾器過(guò)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(guò)濾效率仍能保持在10的高因子范圍。
氣凝膠用于過(guò)濾的場(chǎng)景并不新鮮，但是來(lái)自歐洲的這些科學(xué)家們對(duì)其過(guò)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(jí)別過(guò)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(guò)濾器。
