（纺织材料与纺织品设计专业论文）静电纺纤维非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟[纺织材料与纺织品设计专业优秀论文].pdf

静电纺纤绀非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟 中文摘要 摘要 本课题分别以尼龙6 甲酸溶液和聚也 l 酸丙酮仨氯甲烷溶液作为纺丝液，利用 自行设计加工的静电纺丝装置进行静电纺丝，并使静电纺纤维沉积在非织造过滤材料 的表面，制备了p a 6 纳米纤维基布、p u a 微米纤维基布和p a 6 p l 圳基布复合材 料。主要研究了复合材料的孔隙结构、透气性和过滤性能，并且对过滤材料的过滤过 程进行了初步的计算机模拟。 静电纺丝工艺参数的探索：研究了纺丝液浓度、电压、喷丝头和接收屏之间距离 ( c - s d ) 、流量、喷丝头内径对纤维形貌结构的影响。确定了p a 6 静电纺丝的工艺条 件：纺丝液浓度2 2 w t ，电压1 5 k v ，c - - s d 距离1 5 c m ，喷丝头内径0 4 5 m m ，流量 0 0 6 m l h 。p u a 的静电纺丝工艺条件：电压2 0 k v ，c - s d 距离2 5 c m ，喷丝头内径 0 8 5 r a m ，流量3 m l h 。 静电纺纤维非织造布复合过滤材料的孔隙结构：用计算机图像处理的方法计算 分析了复合材料的孔隙结构，研究结果表明：复合材料中的孔隙数量随着静电纺丝时 间的增加呈指数增加，p u a 微米纤维复合材料中的孔隙数量比p a 6 纳米纤维复合材 料和p a 6 纳米纤维p u a 微米纤维多层复合材料中的少，p a 6 纳米纤维p u a 微米 纤维多层复合材料中的孔隙数量最多。复合材料中的平均孔隙面积随着静电纺丝时间 的增加而下降，其中p a 6 纳米纤维复合材料和p u a 微米纤维复合材料的孔隙面积 呈指数规律下降，p a 6 p l l a 多层复合材料的孔隙面积呈反“s 规律下降。随着静 电纺丝时间的延长，复合材料中的孔隙形状越来越接近圆。复合材料的孔隙率都随着 静电纺丝时间的增加而下降。其中，p u a 微米纤维复合材料的孔隙率下降最快；纳 米纤维微米纤维基布多层复合材料的孔隙率下降速度比纯纳米纤维基布复合材料 快。 静电纺纤维非织造布复合过滤材料的透气性和过滤性：分别研究了以三种非织 造布过滤材料为基布的复合材料的透气性和以w z - c p - 3 为基布的复合材料的过滤效 率，并考察了复合材料的质量因子q 的变化情况。结果表明：以三种非织造布为基 布的纳米单层、微米单层和纳米微米多层复合材料的透气率随着静电纺丝时间的增 静电纺纤维，非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟中文摘要 加而呈指数规律下降。以w z - c p - 3 为基布的纳米单层、微米单层和纳米微米多层复 合材料的过滤效率随着静电纺丝时间的增加而增加，静电纺丝时间相同时，过滤效率 依次是p a 6 p l l a w z - c p - 3 p u a 肺m p - 3 p a 6 w z - c p - 3 。复合过滤材料的质量 因子q 随着静电纺丝时间的增加而下降，在3 种复合材料中，当过滤效率相接近时， p a 6 纳米纤维p l l a 微米纤维多层复合材料的q 值最大，即过滤性能是3 种复合材 料中最好的。 非织造布对气体的过滤过程的模拟：在g a m b i t 中建立了非织造纤维网的二维 和三维模型，并在f l u e n t 中模拟了过滤过程。结果表明：纯气体射流通过二维纤维网 时，压力层状增加，并且随着纤维含量的增加，压力逐渐变大。纯气体从进入到流出 纤维网的过程中，流速先快速增加，然后剧烈变化，最后下降，并且随着纤维含量的 增加，流速增加。随着纤维含量的增加，在纤维网入口处的颗粒物含量有明显增加， 纤维网中颗粒的运动情况减弱。在三维模拟中，可以明显看到，流体遇到纤维后形成 绕流，使速度和压力发生变化，以及颗粒被捕集出口处浓度下降。 关键词：静电纺丝、孔隙结构、复合材料、过滤效率、c f d 模拟 作者：高晓艳 指导老师：潘志娟 2 0 0 9 年5 月 静电纺纤绀非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟 英文摘要 a b s t r a c t n y l o n 6 s o l u t i o ni nf o r m i ca c i da n dp l l as o l u t i o ni nb o t ha c e t o n ea n d t r i c h l o r o m e t h a n ew a se l e c t r o s p u ni n t on o n w o v e nm a tw i t ht h eh o m e m a d ee l e c t r o s p i n n i n g i n s t r u m e n t ac o m m o nn o n w o v e nf i b r o u sf i l t e rw a su s e da sac o l l e c t i n gs u b s t r a t ei nt h e e l e c t r o s p i n n i n g ，s ot h a tt h ee l e c t r o s p u n 丘b e rl a y e ra n dt h es u b s t r a t ec o m p o s e do fa c o m p o s i t e m a t n l ep o r o u ss t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t em a tw e r er e s e a r c h e d f h s t l y t h e nt h es i m p l ef i l t r a t i o np r o c e s sw a ss i m u l a t e dw i t ht h ec f d i n v e s t i g a t i o n o nt h e t e c h n i q u e o ft h e e l e c t r o s p i n n i n gp r o c e s s ：s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n ( b e ) ，v o l t a g e ( v ) ，t i p - t o - c o l l e c t o rd i s t a n c e ( c - s d ) ，s o l u t i o nf l o wr a t e ( f r ) ， a n di n n e rd i a m e t e ro fs p i n n e r e t ( i d ) o ft h ee l e c t r o s p i n n i n gp r o c e s sw e r ei n v e s t i g a t e d i n i t i a lo p t i m i z e ds p i n n i n gp a r a m e t e r sf o rp a 6w e r e ：b c2 2 、t ，v15 k v , c - - s d15 c m ，f r 0 0 6 m ha n di d0 0 4 5 r a m ；f o rp l l aw e r e ：v2 0 ，c - s d2 5 c m ，f r3 m l ha n di d0 8 5 m m p o r o u ss t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t em a t ：p a 6 n o n w o v e n , p i i 。a n o n w o v e na n d p a 6 p l l a n o n w o v e nc o m p o s i t em a t sw e r ep r e p a r e d p o r o u ss t r u c t u r eo f t h ec o m p o s i t e m a t sw a so b t a i na n da n a l y z e db yt h ec o m p u t e r , t h er e s u l t ss h o w e d ：w i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ee l e c t r o s p i n n i n gt i m e ，t h en u m b e ro fp o r e si nac o m p o s i t em a ti n c r e a s e do nt h e e x p o n e n t i a lf u n c t i o n ，1 1 l en u m b e ro fp o r e si st h el e a s ti np l l am i c r o - f i b e rc o m p o s i t e f i l t e ra n dt h el a r g e s ti np a 6n a n o - f i b e rc o m p o s i t ef i l t e r n ea v e r a g ep o r ea r e ai n t h e c o m p o s i t ef i l t e r sd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ee l e c t r o s p i n n i n gt i m e ，a v e r a g ep o r e a r e ai nb o t hp a 6n a n o - - f i b e ra n dp l l am i c r o - - f i b e rc o m p o s i t ef i l t e r sd e c r e a s e do nt h e e x p o n e n t i a lf u n c t i o n ，w h i l ed e c r e a s e do nt h eo p p o s i t e “s ”i np a 6 p l l ac o m p o s i t ef i l t e r s w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ee l e c t r o s p i n n i n gt i m e ，h c fa n dt h ep o r o s i t yd e c r e a s e d ，1 1 l e p o r o s i t yo fp l l am i c r o - - f i b e rc o m p o s i t ef i l t e rd e c r e a s e dt h ef a s t e s t ，a n dp a 6n a n o - - f i b e r c o m p o s i t ef i l t e rd e c r e a s e dt h es l o w e s t a i rp e r m e a b i l i t ya n df i l t r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ec o m p o s i t em a t ：w i t ht h e i n c r e a s i n go ft h ee l e c t r o s p i n n i n gt i m e ，t h ea i rp e r m e a b i l i t yo ft h ec o m p o s i t em a t s d e c r e a s e d0 1 1t h ee x p o n e n t i a lf u n c t i o n ，1 1 l ef i l t r a t i o n e f f i c i e n c y o fp a 6 w z - c p - 3 ， p ij ，a 厂w z p - 3a n dp a 6 伊i ，i 。a w z p - 3w a st e s t , a n dt h e q u a l i t yf a c t o r ( 0 3w a s c a l c u l a t e d f i l t r a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e dw i t ht h ee l e c t r o s p i n n i n gt i m ei n c r e a s i n g ，w i t ht h e 静电纺纤维非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟英文摘要 s a m ee l e c t r o s p i n n i n gt i m e ，t h ef i l t r a t i o n e f f i c i e n c yw a sp a 卯l l a w z c p - 3 p l l a w z - c p - 3 p a 6 翩，z c p - 3 功eqo ft h ep a 卯l i ，a w z - c p - 3i st h el a r g e s tw h i l et h e f i l t r a t i o ne f f i c i e n c yw e r en e a r l ye q u a l ，w h i c hm e a n st h ef i l t r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h e p a 卯i 。i 。a 用孔p - 3i st h eb e s t f i l t r a t i o np r o c e s ss i m u l a t i o n ：t w o - d i m e n s i o n a l ( 2 d ) a n dt 1 1 r e e - d i m e n s i o n a l ( 3 d ) m o d e l so ft h en o n w o v e nm a tw e r eb u i l ti ng a m b i t , a n dt h ef i l t r a t i o n p r o c e s sw a s s i m u l a t e di nf l u e n t w 1 t i lt h ei n c r e a s i n go ft h ef i b e r si nt h en o n w o v e nm a t ，t h ep r e s s u r e a n d v e l o c i t yo f t h ef l u i di n c r e a s e d w h i l et h ep u r eg a sf l o wt h r o u g ht h e2 dn o n w o v e nm a t ， t h ep r e s s u r es h o w e dl a m e l l a rd i s t r i b u t i o n , t h ev e l o c i t yc h a n g e dg r e a t l y w h i l et h eg a sw i t h p a r t i c l e sf l o wt h r o u g ht h e2 dn o n w o v e nm a t ，l o wp r e s s u r ec e n t e ra p p e a r e d ，a n dt h e v e l o c i t yc h a n g e dg r e a t l yb e f o r ea n da f t e rr e a c ht h en o n w o v e nm a t w i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ef i b e r si nt h en o n w o v e nm a t ，t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ep a r t i c l e sa tt h ei n l e ti n c r e a s e d ，t h e m o v i n gc o n d i t i o no ft h ep a r t i c l e si nt h en o n w o v e nm a td e c r e a s e d i nt h e3 ds i m u l a t i o n ，t h e p r e s s u r ea n dv e l o c i t yc h a n g e dw h e nt h ef l u i dr e a c ht h ef i b e r s ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o no f p a r t i c l e sd e c r e a s e da tt h eo u t l e ta f t e rp a r t i c l e sb et r a p p e d k e y w o r d s ：e l e c t r o s p i n n i n g ，p o r o u ss t r u c t u r e ，c o m p o s i t e ，f i l t r a t i o ne f f i c i e n c y , c f d s i m u l a t i o n i v w r i t t e n b yg a ox i a o y a n d i r e c t e db yp r o f z h i j u a np a n m a y 2 0 0 9 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承 担本声明的法律责任。 研究生签名：壶盟狍e t 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文合作部、中国 社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：壶碰 日 导师签名： 日 期：丝2 皇：璺鱼 期：州 静电纺纤维非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟第一章绪论 第一章绪论 静电纺丝最早出现在2 0 世纪初期。1 9 1 7 年，z e l e n yj 【1 】阐述了静电纺丝的原理。 1 9 3 4 年，f o r m h a l s 2 申请了制备聚合物超细纤维的静电纺丝装置专利；1 9 6 6 年， s i m o n s t 3 】申请了由静电纺丝法制备超薄、超细非织造膜的专利；1 9 8 1 年，l a r r o n d o 4 等对聚乙烯和聚丙烯进行了熔融静电纺丝的研究；1 9 9 5 年，r e n e k e r t 5 】研究组开始对 静电纺丝进行研究，从此，静电纺丝技术迅速发展。1 9 9 9 年，f o n g l 6 , 刀等对静电纺纠 米纤维的串珠现象及微观结构作了研究；2 0 0 0 年，s p i v a k l 8 期等首次采用流体动力等 描述了静电纺丝过程，并且提出了静电纺丝的工艺参数；2 0 0 4 年，捷克利贝雷茨扫 术大学与爱勒马可公司合作生产的纳米纤维静电纺丝机问世【1 0 1 。特别是近5 年，国庆 外每年都有大量静电纺丝的研究成果的报道。迄今为止，已经有数以百计的聚合物襁 静电纺为纳米级纤维。 过滤就是分离、捕集分散于气体或液体中的颗粒状物质的一种操作。过滤材料是 一种具有较大内表面和适当孔隙的物质，它能够捕捉和吸附固体颗粒，使之从混合物 中分离出来。纤维过滤器由大量的纤维构成。传统的纤维过滤材料，孔径一般在十至 几十微米之间。随着科技的进步，对过滤精度的要求越来越高。利用静电纺丝方法能 够得到直径为几十或几百纳米的纳米级纤维，形成的纤维毡重量轻、渗透性好、比表 面积大、孔隙率高、内部孔隙的连通性好，容易与纳米级的化学物质或功能性物质相 结合，很适合用作过滤材料。把静电纺纳米纤维产品应用到过滤技术中，将为制造高 精度的过滤材料提供一种新的途径。 目前国内外关于静电纺丝纳米纤维在过滤技术中的应用研究主要包括以下4 个 方面：( 1 ) 纳米纤维在气体过滤中的应用；( 2 ) 纳米纤维在液体过滤中的应用；( 3 ) 功能性纳米纤维过滤材料( 4 ) 纳米纤维过滤机理和模型的研究。 本章将综述介绍过滤理论的发展以及纳米纤维在过滤中的应用现状，最后提出本 课题的研究目的和研究内容。 1 1 空气过滤理论的研究与发展 静电纺纤组非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟第一章绪论 1 1 1 空气过滤理论的发展历程 过滤是分离技术的一种，主要是依靠过滤材料捕集悬浮在流体中的固体颗粒物。 在过滤过程中，有三种物质参与过滤全过程：分散的颗粒，弥散的流体和过滤介质。 对微细颗粒运动规律的最早认识起源于r e b e r tb r o w n 观察的微细颗粒悬浮在液体中 的运动，即布朗运动。 1 9 2 2 年，f r e u n d l i c h 1 1 1 发展了对气溶胶过滤规律的认识，提出在0 1 旬2 p m 半径 范围内的气溶胶粒子存在最大渗透率。 1 9 3 1 年，a l b r e c h t t l 刁对气流通过单一圆柱纤维运动进行了研究，建立了a l b r e c h t 理论，随后s e l l 对其进行了必要的改进。k a u f m a n n 首先把布朗运动和惯性沉淀的概 念一同应用到纤维过滤理论中，推导出过滤作用的数学公式。l a n g m u i r 继续对过滤 理论进行了研究，认为过滤是截留和扩散的集合，惯性粒子在过滤纤维上的沉淀是可 以忽略的。 1 9 5 2 年，c n d a v i e s 把扩散、截留和惯性3 种机制结合起来，并且用公式表示 出来，建立了孤立纤维理论【1 3 1 。 1 9 5 8 年f r i e d l a d e r t l 4 】，1 9 6 7 年y o s h i o k a 和他的同事发展了独立纤维理论，他们对 较大雷诺数情况下颗粒的惯性和扩散沉积，包括重力效应和过滤器阻塞现象进行了研 究和总结0 5 , 1 6 。p i c k a a r 和c l a r e n b u r g 提出了一个纤维过滤器微孔结构的数学理论 1 7 ，1 8 ，1 9 1 o 1 9 9 2 年，p a y e t ，g o u g e o n 和a t t o u i l 2 0 1 考虑了气体在单一纤维上的滑动，对经典理 论引入修正系数，使得理论与实验数据更好地吻合。 1 9 9 5 年r o s n e r t 2 1 1 提出分散在单一纤维体表面的颗粒以不规则的分布和常常形成 树枝状结构为特征，建立了最新改善的理论和颗粒在单一纤维体上的空间分布，利用 该理论和计算程序可以预测颗粒的沉淀。 2 0 0 1 年，t h o m a s 【2 刁等对过滤器在产生阻塞的情况下进行了空气过滤的理论与试 验研究，提出了过滤器在滤饼存在的情况下，过滤效率及压力损失的计算模型。 1 1 2 纤维过滤材料的过滤机理【2 3 】 过滤过程在理论上可以分为2 个阶段： 第1 阶段称为稳定阶段，在此阶段里，过滤材料对微粒的捕捉效率和阻力不随时 间而改变，而是由过滤材料的固有结构、微粒的性质和气流决定。 2 静电纺纤绀非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟第一章绪论 第2 阶段称为不稳定阶段，在此阶段里，捕捉效率和阻力不取决于微粒的性能， 而是随时间的变化而变化的，主要是随着微粒的沉积、气体的侵蚀、水蒸气的影响等 变化。 纤维过滤材料对颗粒浓度很低的气流( 如：普通的含尘空气) 的过滤主要是稳定 过滤过程。在很长时间内，纤维过滤材料由于颗粒的沉积等原因而引起的厚度上的变 化很小。 根据经典的过滤理论，在纤维过滤材料的稳定阶段，有5 种主要的捕集微粒机理 起作用： 拦截效应：过滤材料中的纤维排列错综复杂，当空气中的尘埃粒子在运动中接 触到滤料纤维表面时，在滤料和尘埃之间的范德华力作用下被滤料粘住。 惯性沉积：滤料纤维排列复杂，空气通过滤料时气流流线遇障转折，空气中的 尘埃颗粒在惯性力的作用下脱离流线撞击到滤料纤维表面而沉积下来。粒子越大，惯 性力越大，被滤料纤维阻碍的可能性越大，过滤效率越好。 扩散效应：小颗粒粉尘做无规则布朗运动，颗粒越小布朗运动越明显，常温下 0 1 微米的颗粒每秒钟扩散距离达至1 j 1 7 1 微米，这个距离比纤维间距大几倍到十几倍， 这就使微粒有更大的机会沉积下来。小于0 1 微米的颗粒，主要作布朗运动，越小越 容易被除去；大于0 5 微米的颗粒主要作惯性运动，越大越容易被除去；0 1 - - 0 5 微 米之间的颗粒，扩散和惯性效果都不明显，较难除去。 重力效应：颗粒通过纤维层时，在重力作用下颗粒脱离流线而沉积下来。一般 来说对0 5 微米以下的颗粒，重力作用可以忽略不计。 静电效应：静电主要有两方面的影响，一是静电作用使粉尘改变流线轨迹而沉 积下来；二是静电作用使粉尘更牢固地粘在滤料纤维表面上。静电作用在不增加过滤 材料阻力的情况下，能有效地改善过滤材料的过滤效率。 颗粒被捕集是以上5 种机理共同作用的结果，其中一种或几种机理起主要作用。 从理论上可以计算出在每一种捕捉机理下单纤维的捕捉效率，但是总捕捉效率并不是 各捕集效率的简单相加，各种捕集机理之间存在着相互作用。 1 1 3 过滤理论的数学模型【2 4 - 3 0 过滤理论研究的主要内容之一是：通过数值模拟和实验研究两种方法，将过滤效 率t 1 和过滤阻力p 表示成关于微粒、流体和过滤介质的函数，最终导出压降方程和 3 静电纺纤维月e 织造布复合过滤材料的结构性能与模拟第一章绪论 过滤效率方程，并且通过解这些方程来确定过滤介质的特性、品质及其在给定条件下 的适用性。其中，对过滤效率的分析都建立在孤立纤维法的基础上，这种方法的原理 是：利用与气流方向垂直的单根纤维( 假设为圆柱体) 周围的流体速度场，根据纤维 捕集微粒的机理，计算微粒在纤维上的沉积率( 单根纤维捕集效率) ，进而计算出过 滤效率。下面简要介绍几种过滤理论的数学模型。 由于纤维介质的多孔性与复杂性，模型需要适当简化。 目前，将流场和滤料进行简化后，建立的流场模型有： ( 1 ) 势流流场； ( 2 ) l a m b 流场； ( 3 ) d a v i e s 流场； ( 4 ) k u w a b a r a 流场； ( 5 ) 单双纤维p o d g o r s h i 流场。 所建立的流函数可以统一表示为： y = a r + b r 一+ c r l n ) + d r 3 s i n 0 式中a 、b 、c 、d 为随不同流场理论变化的常数；r 为纤维半径；r 0 为圆柱坐标系 方向坐标，v 为流函数。 滤料的数学模型主要有： ( 1 ) 平行毛细管模型，即把过滤器看作成一系列平行的毛细管，毛细管尺寸可 从实际滤料的空气阻力计算求得。 ( 2 ) 单根纤维模型，把气流阻力看做是由流场中存在的一个某长度的圆柱障碍 物引起。随着纤维制造技术的发展，出现了一些非圆形截面的异形纤维。对于这类纤 维的过滤机理需要建立新的数学模型，进行流场数值计算。 ( 3 ) 独立纤维模型。 ( 4 ) 阵列纤维模型。 ( 5 ) 微孔系统模型，将滤料看作一个微孔系统，然后把微孔看作圆形来进行计 算，此圆的大小与实际过滤器内连续过滤层中的微孔相当，并需要考虑微孔的路径弯 曲度。 ( 6 ) 多孔连续介质模型，将滤料视为多孔介质，可以运用多孔介质流体动力学 4 静电纺纤绀非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟第一章绪论 的理论来研究滤料的过滤性能。 付海明【3 l 】等在过滤介质内取一微元体，三维尺寸分别为d x ，d y ，d z 。假设在某 一点的粉尘浓度为c ，建立的纤维过滤介质粉尘颗粒浓度分布的数学模型为： 詈+ u 篆= 去【( 皿+ t 面c 3 c 】- c 磊4 c x r r 而, u 式中，k 为分子扩散系数与湍流扩散系数之和，k - ( d ，+ k x ) ；b 为系数，假设单纤 维捕集效率r l 。恒定不变，则b 为常量，q 为纤维的填充密度；d f 为纤维直径；u 为 过滤速度；r l 。为单纤维捕集效率；c 为粉尘浓度。 纤维过滤介质的总捕集效率可以表示为：r l = l - x l e x p ( x 2 + x 3 t ) ，式中x 1 ，x 2 ，x 3 为 不同的系数，其取值与过滤速度、流体和多孔过滤介质特性以及过滤过程有关。 1 1 4 单纤维过滤机理的研究 3 2 , 3 3 】 在众多的过滤模型中，单纤维模型理论发展较为成熟。单纤维模型过滤机理的研 究进展包括3 个方面：单一纤维捕集机理，单纤维多种机理的合并，以及过滤机理的 修正。 单纤维效率是指单位时间内被纤维捕捉的颗粒物与上游某处纤维投影面全部颗 粒物的比值，用公式表示为：e = a v v 。早期的过滤理论认为，单纤维过滤机理主要 有3 种：拦截作用，惯性作用和扩散作用，这三者同时作用在纤维上，其综合过滤作 用在数学上很困难，研究者采取的是先单独研究其中一种机理，然后对几种机理进行 并合。 a l b r e c h t 首先展开了惯性碰撞的研究，对颗粒物撞击圆柱体轨道进行了计算，创 立了推移计算法来求惯性机理下颗粒物的运动轨迹从而算出单纤维效率，这种方法计 算量很大。9 0 年代后由s p u m y 利用计算机求取惯性单纤维效率，该方法一直沿用至 今。扩散是由流体中分子的热运动而产生的，l e e 和l i u 给出了不考虑颗粒物直径的 纯扩散理论，并推导出了微分方程。在此基础上，c a i 又推导出了含有颗粒物直径的 扩展方程。在过滤过程中，颗粒物由于自重作用也会沉积在纤维表面，虽然w r a n z ， c y c h e n ，s t e c h k i n a 等对重力机理进行了研究，但重力机理至今还不完善。 微粒在纤维上的沉积，可能受到很多机理的影响，这些机理在不同过滤条件下， 作用程度不同。r a n z 和w o n g 认为一般只有一个或两个机理起主导作用，其他可以 忽略不计。d a v i e s 根据作用机理的时间先后给出了在小雷诺数时过滤效率的计算公 5 静电纺纤维，非织遗布复合过滤材料结构性能与模拟 第一章绪论 ，多鼍鼍、夕丁 鞫、璃麟 静电纺纤绀非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟第一章绪论 1 2 1 2 厚度 厚度对过滤性能也有明显的影响3 5 1 。随着厚度的增加，纤维量也增加，纤维对颗 粒物的分离捕集作用加强，过滤效率提高。同时过滤阻力增加，在相同压差下，过滤 材料的透气性下降。静电纺丝法形成的纳米纤维毡，在一定工艺条件下，厚度随着纺 丝时间的增加而增大，在用作过滤材料的时候要选择合适的厚度，即控制纺丝时间。 1 2 1 3 孔隙率 孔隙率是指多孔材料中孔隙所占体积与多孔材料总体积的比率。非织造布独特的 纤维网络结构，形成了分布较均匀，孔径较小的孔隙，使得流体中的微细颗粒在通过 纤维过滤材料的纤维曲径时，分散作用加强，微细颗粒与纤维碰撞或粘附的机会更多。 因此，孔隙率是影响非织造过滤材料过滤性能的一个重要因素。当孔隙率增加时，透 气性提高，过滤材料对颗粒物的分离捕捉作用被削弱，过滤效率下降。一般而言，过 滤材料的孔隙率随着材料的厚度增加而增加。 1 2 1 4 孔径 纤维过滤材料的过滤作用是通过其内部的孔径通道来实现的，因而其过滤精度在 很大程度上取决于其孔径尺寸及分布：孔径大，则能透过的粒子尺寸大，容易透过的 粒子数量多，过滤效率低；孔径小，能透过的粒子尺寸小，粒子难透过，过滤效率高。 孔径是指孔隙平均或等效直径，表征方式有最大孔径、平均孔径、孔径分布等。孔径 分布是指材料中存在的各级孔径按数量或体积计算的百分率。 1 2 1 5 比表面积 比表面积是指单位体积材料所具有的表面积( 体积比表面积) 或单位质量材料所 具有的表面积( 质量比表面积) 。降低纤维的直径能够提高纤维的比表面积，纳米纤 维具有很大的比表面积。纤维的比表面积大，在过滤过程中，颗粒与纤维碰撞的机会 多，则颗粒容易被捕集，即过滤效率高。 1 2 2 性能参数 1 2 2 1 过滤精度与过滤效率 国外许多公司在建立过滤材料标准时，过滤精度概念都与颗粒直径联系起来。不 论是液体过滤还是气体过滤，过滤精度值都是指某尺寸以上颗粒被滤除的效率。过滤 器捕集粉尘的量与未过滤空气中的粉尘量之比称为“过滤效率 。过滤材料越厚，孔 隙率越低，孔隙越小都有利于提高过滤效率。 7 静电纺纤绀非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟 第一章绪论 小于0 1 9 m 的粒子主要作扩散运动，粒子越小，过滤效率越高；大于o 5 肛m 的 粒子主要作惯性运动，粒子越大，过滤效率越高。在0 1 o 5 9 m 粒径之间，过滤效 率有一处最低点( 如图1 2 所示) 。 图1 - 2 粉尘粒径与过滤效率关系示意图 1 2 2 2 压力损失 压力损失是指过滤前后的静压差值，即压力降。除尘设备的压力损失主要由两部 分组成，即结构阻力和过滤层阻力3 6 1 。结构阻力主要由过滤材料的结构形式决定，一 般来说纤维过滤材料中，纤维填充率高，孔径尺寸小，孔隙率低，则压力降大；气体 过滤压力降小，液体过滤压力降大。滤布的寿命随压力降增加而变短。 1 2 2 3 透气性 透气性是指在一定压差下，流体在单位时间、单位面积上的透过量，以透气率来 表征。其大小取决于流体的特性、孔隙率、孔径及其分布、孔隙形状、过滤材料厚度 等因素。孔隙率高，孔径尺寸大，透气性好。透气性直接影响过滤材料的流量阻力， 透气性好则流量阻力小，流体的透过性好。 1 2 2 4 纳污容量 纳污容量是指滤材能接受污物的最大限量。一般而言，过滤材料的过滤精度越高， 其纳污容量越低，其微细的通道易受到颗粒污染物的堵塞，使其压差增大，当压差达 到规定的最大极限值时，使用寿命终止。而对于低精度过滤材料，小于其孔隙尺寸的 颗粒污染物易于通过孔隙不易被捕集，孔隙不易被污染物堵塞，形成的污垢层也不紧 密，所容纳污染物数量要比高精度的过滤材料多。 8 静电纺纤量隹非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟第一章绪论 1 2 2 5 纤维迁移与相容性 滤材在制成滤器成品后，最严重的问题是在使用中有纤维脱落。纤维脱落可造 成过滤精度下降，纳污量减少，脱落纤维迁移到滤后物质中会成为有害污物。 过滤材料的相容性指过滤介质与工作液体的相容性。如：由于受工作液体的热影 响，过滤材料是否出现软化和熔融；在酸、碱和其他化学药剂的影响下，过滤材料的 机能是否发生变质，如：变脆、发胀、变软、分解等。 1 3 纳米纤维过滤材料的研究现状 静电纺丝技术早在1 9 3 4 年就由德国的f o r m h a l s 等人提出，但直到1 9 3 6 年，俄 罗斯人才最先采用静电纺丝技术制备了用于过滤的f p ( f i l t e r so fp e t r y a n o v ) 3 7 1 。二 战以后，f p 的应用得到了更多的关注，到2 0 世纪6 0 年代后期，在u s s r 已经有5 家公司生产f p ，年产量达到6 0 0 吨【3 8 1 。1 9 6 4 年，在s i u a m y a e ( e s t o n i a ) 建立了最大产 量的纳米纤维过滤材料生产工厂。静电纺丝技术经过半个多世纪的发展，理论和技术 逐渐成熟，已经有二十多种静电纺纤维产品能够应用于工业过滤 3 9 。1 9 8 0 年后，在 d o n a l d s o n 公司的努力推动下，纳米纤维过滤产品在美国也得到了快速发展。二十世 纪9 0 年代后，欧洲也建立了生产静电纺纤维产品的f r e u d e n b e r g 公司。 1 3 1 纳米纤维空气过滤材料 近年来对静电纺丝制备纳米纤维的研究发展迅速，其中研究的热点已经从原来对 纺丝介质及工艺参数的探索【4 5 】发展到纺丝过程理论的分析及静电纺丝所得纤维制 品的应用等方面，静电纺丝产品在过滤上的应用也已经得到越来越多的关注。 高效空气粒子过滤器( h e p a ) 对直径0 3 1 x m 以下的颗粒的过滤效率达到9 9 9 7 ， 超高效空气粒子过滤器( u l p a ) 对直径0 3 i t m 以下的颗粒的过滤效率达到9 9 9 9 9 f 4 6 1 。 y c a h n 嗍的研究发现，h e p a 过滤材料的孔径为1 7 1 t i n ，静电纺尼龙6 纳米纤维( 纤 维直径8 0 - 2 0 0 n m ，面密度1 0 7 5 9 m 2 ) 的孔径为0 2 4 9 m ，在流速为3 。1 0 c m s 的流速 下，对直径为0 3 p m 以下的颗粒的过滤效率比h e p a 的效率高，过滤效果好。y o u n g j u nl 姗【4 7 1 等用静电纺丝法制备的尼龙6 纳米纤维毡，纤维直径范围为9 0 - 5 0 0 r i m ，孔 径范围在1 7 9 _ 2 7 0 0 r i m 。r s b a r h a t e t 4 s l 等的研究认为，静电纺丝电压和接收转鼓转速 对纤维直径、孔隙率及孔径大小有影响，控制纺丝电压和接收转鼓的转速能够调节纤 维毡的结构。k im y o u n gs u n 4 9 1 等制备了直径均匀的静电纺聚丙烯腈纳米纤维，纤维 9 静电纺纤绀非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟第一章绪论 直径范围为2 7 0 - 4 0 0 r i m ，测试了该纳米纤维过滤材料对8 0 r i m 以下颗粒的过滤效率， 在空气过滤中，存在一个最大渗透粒子尺寸( m p p s ) ，在m p p s 处，粒子最容易 透过过滤材料，即该粒子尺寸对应的过滤效率最低。a l b e r tp o d g o r s l d 等的研究发现， 使用静电纺纳米纤维过滤材料，在m p p s 处过滤效率增加，并且m p p s 向小尺寸方向 转移【5 0 1 。 纳米纤维空气过滤材料还具有以下优势： ( 1 ) 当纳米纤维过滤材料的过滤效率与普通过滤材料的过滤效率相同时，其质 量更轻；随着厚度的增加，其过滤效率显著提高。 ( 2 ) 在矿业应用上，与普通的纤维素纤维相比，纳米纤维过滤材料能够明显降 低粉尘浓度5 1 】：纳米纤维过滤材料的使用寿命是普通过滤材料的4 倒5 2 1 ， ( 3 ) 车用纳米纤维过滤材料的使用寿命是普通纤维素纤维过滤材料的2 倒5 3 1 。 在过滤汽车尾气和工业废气中的亚微米级粒子污染物时，纳米纤维过滤材料的使用寿 命优势更能够显现出来。 1 3 2 纳米纤维复合过滤材料 静电纺纳米纤维直径小，具有很大的比表面积，有很强的吸附力以及良好的过滤 性能。然而，由于纳米纤维层强力低，尚不能单独形成过滤材料，需要与基布复合。 可以直接将静电纺纤维沉积在普通过滤材料上。已经有以玻璃纤维、涤纶、尼龙、纤 维素纤维过滤材料作为基布材料的静电纺纳米纤维复合过滤材料的研究i s 4 。 最早被提出的复合结构是通过静电纺技术直接在基布表面纺一层纳米纤维( 图 1 - 3 ( a ) ) ，但是基布的强力远大于纳米纤维层，致使复合后的过滤材料在受到外力拉 伸及摩擦作用时，纳米纤维层极易磨损或脱落。接着又出现了纳米纤维夹层的复合结 构形式( 图1 - 3 ( b ) 、( c ) 、( d ) ) ，即将纳米纤维层夹于两块基布之间，这样就可对纳 米纤维层起到保护作用，使其免受表面的摩擦，从而提高了使用寿命。根据纳米纤维 层夹层形式的不同，又可分为单夹层纳米纤维复合过滤材( 图1 - 4 ( b ) ) 和多夹层纳 米纤维复合过滤材( 图1 - 4 ( c ) 、( d ) ) 。多夹层纳米纤维复合过滤材又可分为相同厚 度的纳米纤维夹层复合过滤材料( 图1 - 4 ( c ) ) 和不同厚度的纳米纤维夹层复合过滤 材料( 图1 - 4 ( d ) ) 。相关的研究证明，与单夹层纳米纤维复合过滤材相比，多夹层纳 米纤维复合过滤材的过滤效率更好，但透气性明显下降【5 5 1 。 1 0 静电纺纤维用f 织遣布复台过滤材料的结构性能与模拟 第章绪论 需 b ) tb )( c ) 圈| _ 基布 = = = = = j i ! o 点 兰，e o = 岛多z 走导= e 罢 图1 - 3 纳米纤维复合过滤材料的结构 康卫民5 0 等通过静电纺丝制备了直径范围在8 0 - 5 0 0 h m 的聚己二酸己二醇纳米 纤维和驻极体熔喷非织造布的纳米纤维复合膜。驻极熔喷非织造布上覆盖纳米纤维膜 后，透气性有所下降，但过滤效率显著提高，对03 v m 左右的粒子的过滤效率高达 9 9 9 。 x i a o h o n gq i 【5 1 等用静电纺丝法在基布材料上纺制了具有不同面密度的纳米纤 维层，结果表明，覆盖了纳米纤维层后，复合过滤材料的孔径下降，过滤效率和压力 降增加。基布材料上覆盖了面密度为24 9 m 2 的纳米纤维层后，过滤效率达到1 0 0 ， 但压力降也非常大。因此，在制各复合过滤材料时，要根据压力降和过滤效率的变化， 选择最合适的纳米纤维层含量，使过滤材料的过滤效率大，压力降适当。 l 3 3 纳米纤维液体过滤材料 x u e f e n gw a n g ”等制各了涂层，纳米纤维非织造基布复合过滤材料，在压力为 l o o p s i 时能够达到3 3 0 1 j m 2 h 的高流速，过滤油水混合液体效率高达9 98 。cs h i n 口9 j 等制各了纳米纤绀玻璃纤维复合过滤材料，用于液体过滤。实验结果说明，纳米纤 维使过滤效率得到提高，但同时