[摘 要]本研究旨在開發(fā)用于燃?xì)鉃V清器的納米纖維過濾材料并評估其性能，通過電紡絲技術(shù)制備了一系列納米纖維膜并對其物理、化學(xué)和過濾性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，所制備的納米纖維膜具有優(yōu)異的孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積，能夠高效捕集顆粒物，并具有良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性，進(jìn)一步的性能測試表明，納米纖維膜在燃?xì)鉃V清器中表現(xiàn)出良好的過濾效率和持久性，為燃?xì)鈨艋夹g(shù)的發(fā)展提供了可靠的材料基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]燃?xì)鉃V清器；納米纖維；過濾材料；性能研究；電紡絲技術(shù)

[中圖分類號]TB383.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0029–03

Development and Properties of Nano-fiber Filter Materials in Gas Filter

DENG Fusheng

[Abstract]The aim of this study was to develop and evaluate the properties of nanofiber filtration materials for gas filters. A series of nanofiber membranes were prepared by electrospinning technology and their physical， chemical and filtration properties were characterized. The results show that the prepared nanofiber membrane has excellent pore structure and high specific surface area， and can efficiently trap particles， and has good heat resistance and chemical stability. Further performance tests show that the nanofiber membrane has good filtration efficiency and durability in the gas filter， which provides a reliable material basis for the development of gas purification technology.

[Keywords]gas filter； nanofibers； filter material； performance study； electrospinning technology

隨著環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，燃?xì)馀欧诺闹卫沓蔀榱谁h(huán)境保護(hù)任務(wù)之一。燃?xì)鉃V清器作為一種重要的空氣凈化裝置在去除燃?xì)庵蓄w粒物和有害氣體方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，然而傳統(tǒng)的過濾材料存在著過濾效率低、耐久性差等問題，限制了燃?xì)鉃V清器的性能和應(yīng)用范圍，因此開發(fā)高效、耐用的過濾材料對于提升燃?xì)鉃V清器的性能至關(guān)重要。

1 電紡絲技術(shù)制備納米纖維膜

電紡絲技術(shù)是一種納米纖維制備方法，其在納米科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在電紡絲過程中通過控制各種參數(shù)，如聚合物溶液的流速、電場強(qiáng)度和噴絲距離等可實(shí)現(xiàn)納米級纖維的連續(xù)噴射和沉積，這些參數(shù)的調(diào)節(jié)對最終納米纖維膜的結(jié)構(gòu)和性能具有重要影響。

為了詳細(xì)研究電紡絲過程中參數(shù)對納米纖維膜的影響，研究人員進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，選擇了聚合物溶液的不同流速作為調(diào)節(jié)參數(shù)，分別設(shè)定了不同的流速值并記錄了相應(yīng)的纖維直徑，調(diào)節(jié)了電場強(qiáng)度，觀察了其對纖維直徑的影響，對噴絲距離進(jìn)行了改變，并記錄了纖維直徑的變化情況。電紡絲技術(shù)制備納米纖維膜試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，研究人員可初步分析出不同參數(shù)對納米纖維膜結(jié)構(gòu)的影響，隨著流速的增加纖維直徑呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，這是因?yàn)榱魉僭黾訉?dǎo)致了聚合物溶液在電場作用下拉伸變細(xì)的結(jié)果。增加電場強(qiáng)度也會使纖維直徑減小，這是因?yàn)殡妶鰪?qiáng)度增加會增加纖維拉伸的力度從而使纖維直徑減小。增加噴絲距離則會使纖維直徑增加，這是因?yàn)閲娊z距離增加會導(dǎo)致纖維在空氣中拉伸的時間增加從而使纖維直徑增加。

根據(jù)以上公式，研究人員可對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合以驗(yàn)證公式的準(zhǔn)確性并進(jìn)一步優(yōu)化電紡絲制備納米纖維膜的參數(shù)。

2 納米纖維膜的表征

納米纖維膜的表征是納米材料研究中的重要一環(huán)，利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行表面形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察和分析為常見的方法之一。

綜上所述，SEM和TEM是對納米纖維膜進(jìn)行表征的重要手段，通過定量分析SEM圖像和TEM圖像，研究人員可更全面地了解納米纖維膜的微觀形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為其性能評估和應(yīng)用提供重要參考。

3 氣體透過性能評估

在燃?xì)鉃V清器等應(yīng)用中納米纖維膜的氣體透過性能至關(guān)重要，為評估其性能，研究人員使用氣體滲透性測試儀進(jìn)行了測試，該測試儀能夠測量不同氣體在納米纖維膜上的透過速率和透過量，從而確定其透過率和透過通量。選取了幾種常見的氣體，包括N2、O2、CO2和CH4，來評估納米纖維膜對這些氣體的透過性能。氣體透過性能評估測試數(shù)據(jù)見表2。

在表2中，透過速率表示單位時間內(nèi)單位面積的氣體通過納米纖維膜的速率，通常以cm3/s/cm2為單位。透過量則是單位時間內(nèi)通過單位面積的氣體總量，通常以cm3/cm2為單位。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，研究人員可計(jì)算納米纖維膜對不同氣體的透過率（Permeability）和透過通量（Flux）的影響。透過率表示單位厚度的膜對氣體透過的能力，通常以單位面積、單位時間和單位壓力差來表示，透過通量則表示單位面積在單位時間內(nèi)通過膜的氣體總量，通常以單位時間、單位壓力差和單位面積表示。以下為透過率和透過通量的計(jì)算公式。

根據(jù)上述公式，研究人員可計(jì)算出納米纖維膜對每種氣體的透過率和透過通量，并進(jìn)一步評估其在燃?xì)鉃V清器中的通透性和阻力特性，通過這些數(shù)據(jù)和計(jì)算，研究人員可以深入了解納米纖維膜在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，為燃?xì)鉃V清器等設(shè)備的性能優(yōu)化提供參考和依據(jù)。

4 顆粒物過濾性能測試

在顆粒物過濾性能測試中，研究人員使用了納米纖維膜作為燃?xì)鉃V清器的過濾介質(zhì)以評估其過濾性能。試驗(yàn)過程中研究人員模擬了燃?xì)庵胁煌胶蜐舛鹊念w粒物，并將其溶解在溶液中然后通過納米纖維膜進(jìn)行過濾。

研究人員收集了含有不同粒徑的顆粒物溶液，并將其分別通過具有納米纖維膜的過濾器進(jìn)行過濾。然后，研究人員使用粒徑分析儀對過濾后的顆粒物進(jìn)行了粒徑分析以確定其尺寸分布情況。此外，研究人員還使用顆粒物計(jì)數(shù)器對過濾后的顆粒物進(jìn)行計(jì)數(shù)以評估過濾器的過濾效果。

該公式能夠幫助研究人員計(jì)算出納米纖維膜對顆粒物的捕集效率。

進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，顆粒物過濾性能測試結(jié)果見表3。

通過表3數(shù)據(jù)，研究人員可明確不同粒徑的顆粒物經(jīng)過納米纖維膜過濾后的效果。隨著顆粒物粒徑的增加，顆粒捕集效率有所下降，這是因?yàn)檩^大顆粒物相對更容易穿過納米纖維膜的孔隙。

在實(shí)際應(yīng)用中，了解納米纖維膜對不同粒徑和濃度顆粒物的過濾效果，可幫助研究人員選擇合適的過濾器并優(yōu)化燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)的性能，從而減少對環(huán)境的影響保護(hù)人們的健康。

5 性能優(yōu)化與應(yīng)用展望

在性能優(yōu)化與應(yīng)用展望方面，納米纖維膜的制備工藝和材料配方相互關(guān)聯(lián)，共同決定了膜的結(jié)構(gòu)、性能和穩(wěn)定性，通過調(diào)整制備工藝，如靜電紡絲過程中的噴絲距離、噴絲速度和電場強(qiáng)度等參數(shù)，可控制纖維的直徑、排列密度和形態(tài)，從而影響納米纖維膜的孔徑和表面形貌，此外，優(yōu)化材料配方，如選擇合適的聚合物、溶劑和添加劑可改善納米纖維膜的力學(xué)性能、耐化學(xué)性和耐熱性。

為了更好地了解納米纖維膜的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，可利用現(xiàn)代表征技術(shù)進(jìn)行深入研究。例如，透射電子顯微鏡可用于觀察納米纖維膜的微觀結(jié)構(gòu)，包括纖維的形態(tài)、分布和連接方式，掃描電子顯微鏡可揭示納米纖維膜表面的形貌和孔隙結(jié)構(gòu)，傅里葉變換紅外光譜可用于分析納米纖維膜的化學(xué)成分和功能基團(tuán)以及表面改性效果。

在將優(yōu)化后的納米纖維膜應(yīng)用于燃?xì)鉃V清器中時，研究人員需要考慮實(shí)際工況下的性能表現(xiàn)和長期穩(wěn)定性。燃?xì)鉃V清器通常在高溫、高濕、高壓等惡劣環(huán)境下工作，因此納米纖維膜需要具有良好的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性。此外，燃?xì)庵锌赡艽嬖诙喾N污染物，如顆粒物、氣態(tài)污染物和揮發(fā)性有機(jī)物，納米纖維膜需要具有較高的過濾效率和選擇性，以確保有效去除這些污染物并保持長期穩(wěn)定性。

通過實(shí)地測試和監(jiān)測，可評估納米纖維膜在不同工況下的性能表現(xiàn)并及時發(fā)現(xiàn)及解決潛在問題。例如，通過監(jiān)測壓降變化，可了解納米纖維膜的阻力特性，通過監(jiān)測顆粒物捕集效率可評估其過濾性能，通過監(jiān)測化學(xué)成分變化可了解其化學(xué)穩(wěn)定性，這些數(shù)據(jù)和信息可為進(jìn)一步優(yōu)化納米纖維膜的制備工藝和材料配方提供參考，從而不斷提升其性能和穩(wěn)定性。

綜上所述，通過優(yōu)化納米纖維膜的制備工藝和材料配方，并將其應(yīng)用于實(shí)際場景中進(jìn)行性能評估和長期穩(wěn)定性監(jiān)測，可為燃?xì)鈨艋夹g(shù)的發(fā)展提供可靠的材料支持。這將有助于解決環(huán)境污染和健康安全等問題，推動燃?xì)鈨艋夹g(shù)的應(yīng)用和進(jìn)步。

6 結(jié)束語

本研究開發(fā)了一種新型納米纖維過濾材料并對其性能進(jìn)行了全面的評估，所制備的納米纖維膜具有優(yōu)異的孔隙結(jié)構(gòu)和高氣體透過性，能夠有效捕集燃?xì)庵械念w粒物，具有良好的應(yīng)用前景。未來的研究方向可進(jìn)一步優(yōu)化納米纖維膜的制備工藝，提高其過濾效率和耐久性，以滿足不同燃?xì)鈨艋I(lǐng)域的需求。

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