青岛大学宁新教授团队：具有优异耐高温耐化学腐蚀性的高效PM2.5复合纳米纤维过滤膜
随着工业的快速发展，钢铁、发电厂、化学工业和车辆等排放的空气污染物已经严重影响到了人体健康。然而，实现高温污染源头的高效除尘过滤是非常困难的。这主要归因于废气的温度高达300℃，并且通常包含腐蚀性气体。因此，过滤材料既要承受高温又要经受化学腐蚀，而传统的基于非织造纤维的过滤材料（例如玻璃纤维，熔喷纤维和纺粘纤维）在捕获细小颗粒物（特别是空气动力学直径小于2.5μm（PM 2.5）的易通过呼吸道进入人体的有害物质）方面性能差强人意，伴随着巨大的压降阻力，且热稳定性及化学稳定性能不佳。
针对在特定高温污染物源头废气排放污染问题，宁新教授团队基于国产芳砜纶（聚砜酰胺，polysulfonamide）设计了一种新型的聚砜酰胺/聚丙烯腈-勃母石（PSA/PAN-B）复合纳米纤维过滤膜。在这项研究中，通过添加少量PAN作为辅助聚合物提高了PSA的可纺性能。此外，通过引入勃姆石驻极体构建纤维表面粗糙度以及提高纤维滤材的电荷存储能力。
图一：PSA/PAN-xB纳米纤维膜（a）在2m/s风速下的过滤效率和压降，（b）表面归一化电势衰减；（c）PSA/PAN-0.5B纳米纤维模型；不同克重PSA/PAN-0.5B纳米纤维膜在2m/s风速下的（d）过滤效率和压降以及（e）质量因数；（f）1g/m2的PSA/PAN-0.5B纳米纤维膜在不同风速下的过滤效率和压降；以上过滤效率评价颗粒粒径为0.3µm。
通过数据分析和3D模拟，优化了制备工艺参数，所制备得到的PSA/PAN-0.5B复合纳米纤维基过滤膜表现出高过滤性效率（高达99.52±0.32％），低压降（45.16±1.39Pa），优异的柔韧性以及良好的机械性能。特别地，得益于聚砜酰胺固有的分子结构，在高温，酸或碱处理后，污染颗粒物的去除效率仍保持不变。此外，结合过滤机理和实验数据分析，提出了油性软污染物颗粒的捕获模型。该研究进一步拓宽了国产芳硕纶的应用范围，并为耐高温耐化学腐蚀性能过滤器的设计提供了新的思路。
图二：1g/m2的PSA/PAN-0.5B纳米纤维膜在高温（a）（b），酸（c）（d）和碱（e）（f）处理1h后的过滤性能和SEM图片，以上过滤效率评价测试风速为2m/s，图（a）中评价颗粒粒径为0.3µm。
图三：（a）PM2.5颗粒物拦截及过滤机理示意图；PSA/PAN-0.5B纳米纤维膜在燃烧檀香木过滤前（b），后（c）的光学照片；（d-f）PSA/PAN-0.5B纳米纤维膜随时间对油性软PM2.5颗粒污染物的捕获细节SEM图片和（g-i）对应的捕获模型示意图。
以上成果以《Electrospun Polymer Composite Membrane with Superior Thermal Stability and Excellent Chemical Resistance for High-Efficiency PM2.5 Capture》为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文第一作者为青岛大学纺织服装学院硕士研究生杨雪，通讯作者为袁丁博士，通讯单位为青岛大学。非织造材料与产业用纺织品创新研究院是青岛大学校直属科研机构，由国家“千人计划”宁新教授领衔组建，依托纺织科学与工程一级学科博士点和材料科学与工程一级学科博士点，研究院关注非织造产业领域技术和产品创新，现设有特型非织造装备和工艺的工程研究、智能纺织品中功能纤维研究、纤维表面改性与非织造材料的功能后整理研究、非织造结构及纤维隔膜在环境、新能源方面的研究四个研究方向。目前，研究院已形成国家“千人计划”、山东省泰山学者为领衔的跨学科、专业结构和年龄结构合理、产学研一体化、分工合理、高效率、团结奋进的研究团队。更多内容请登陆网址：
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论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b15219
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