高分子通报13静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用研究进展

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1、第１２期高分子通报·１５·静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用研究进展高阳１，蔡志江１，２＊（１．天津工业大学纺织学院，天津３００３８７；２．先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津工业大学，天津３００３８７）摘要：目前纤维过滤材料应用较多的是机织物、针织物及非织造物。与这些传统的纤维过滤材料相比，静电纺丝纳米纤维过滤材料具有很高的比表面积、孔隙率和通透性，更容易吸附分离微小粒子，可以作各种高精度、高性能过滤材料，具有广泛的应用前景。本文主要综述了近年来国内外静电纺丝纳米纤维过滤材料的制备及其应用，重点阐述

2、了其在金属离子的吸附、空气过滤和液体过滤领域中的研究进展。同时也介绍了静电纺丝纳米纤维过滤材料在特种过滤，如抗菌过滤及高温过滤中的应用研究。并展望了静电纺丝纳米纤维过滤材料的研究趋势。关键词：静电纺丝；纳米纤维；过滤材料引言近年来，随着我国工业化进程的加速，工业三废、生活垃圾和农药化肥造成的水污染呈持续恶化的发展，江河湖海水污染严重，汞等重金属离子严重超标。以悬浮颗粒物、二氧化硫、氮氧化物为主要污染物的大气煤烟型污染上升速度较快，危险固体废弃物的处理和管理也亟待加强。以科学发展观为指导方针更加注重可持续

3、发展的工业发展模式已被提上日程，开发具有过滤性能的过滤材料成为目前研究热点。１过滤材料的发展［１］［２，３］传统纤维过滤材料应用较多的是机织物滤料、纤维束、针织物滤料、三向织物滤料和编织物滤［４］料等织造滤料。一般织造滤料的孔隙率只有３０％～４０％，而且是直通的。传统纤维织造过滤材料的生产工艺流程长，产品的生产速度慢，过滤主要通过经纱与纬纱的孔隙进行，滤料本身的阻力较大；且织造滤料只有在形成粉尘层后，才能阻挡较小颗粒物，在滤料未形成粉尘层、滤层清灰后或其它原因使粉尘层遭到破坏时，过滤效率则会明显下降。静

4、电纺丝纳米纤维具有很高的比面积、孔隙率和良好的通透性，表面容易进行功能化处理，更容易与亚微米级粒子结合，可以用作吸附分离材料。目前静电纺丝纳米纤维过滤材料可以应用于各种要求较高的过滤领域，能够对直径０．３μｍ以下的颗粒具有９９．９７％以上的过滤效率，其较好的过滤精度，在电子、生物、医药和防护等领域有广泛的应用前景。２静电纺丝纳米纤维材料的应用２．１金属离子的吸附分离随着我国工业的发展，重金属污染愈加严重，重金属离子难以被微生物降解，可长期存在于土壤中，随食物链进入植物体、动物体、人体，并在食物链顶端人体

5、内积蓄，危害人体健康，因此对重金属离子的吸附分离显得愈加重要。收稿：２０１３－０３－２７；修回：２０１３－０６－２１；基金项目：天津市自然科学基金（１１ＪＣＹＢＪＣ０２５００）；作者简介：高阳（１９９０－），男，本科生，主要研究方向为静电纺丝纳米纤维的制备及应用研究；＊通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｉｊｉａｎｇｃａｉ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．·１６·高分子通报２０１３年１２月［５］Ｗｕ等采用静电纺丝工艺制备了纤维直径在２００～５００ｎｍ的聚乙烯醇／二氧化硅纳米纤维膜，并对膜表面进行硫基化处理以研究其对Ｃｕ２＋

6、的吸附特性。测试结果表明，经过硫基化处理后的纳米纤维膜其吸附容量要远远大于纯的纳米纤维膜，其原因是未经处理的纳米纤维膜仅仅是物理吸附Ｃｕ２＋，而硫基化处理后的纳米纤维膜对铜离子不仅产生物理吸附而且会产生化学吸附，其化学吸附机理如图１所示。经硫基化处理的纳米纤维膜其吸附容量在室温下大于３４１ｍｇ／ｇ，最大平衡吸附容量高可达４８９ｍｇ／ｇ，而且纳米纤维膜的耐用性较好，经酸化脱附、再吸附６次循环测试后纳米纤维膜的吸附容量仅下降不到４％。图１聚乙烯醇／二氧化硅纳米纤维膜对Ｃｕ２＋的吸附机理２＋Ｆｉｇｕｒｅ１Ｔｈ

7、ｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆＣｕｏｎＰＶＡ／ＳｉＯ２ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ［６］Ａｂｂａｓｉｚａｄｅｈ等通过静电纺丝工艺制备了聚乙烯醇／硫基化二氧化钛纳米纤维膜，研究了其对３＋和Ｕ６＋的吸附特性。在ｐＨ＝４．５和５．０，温度４５℃下，纳米纤维对Ｕ６＋和Ｔｈ３＋的吸附容量最大为Ｔｈ１９６和２３８ｍｇ／ｇ。通过吸附动力学研究发现，吸附属于物理吸附，分为两个阶段，第一阶段吸附速率快，第二阶段吸附速率慢。［７］Ｌｉ等采用静电纺丝工艺与溶胶－凝胶法相结合制备了一种带状的巯基化二

8、氧化硅纳米纤维，并研究了其对水中Ｈｇ＋的吸附特性。在经６０ｍｉｎ的吸附后，纯二氧化硅纳米纤维的吸附容量为１．３６ｍｇ／ｇ，而经巯基化的二氧化硅纳米纤维可达５７．４９ｍｇ／ｇ，表明经巯基化处理能大幅提高二氧化硅纳米纤维对＋的吸附能力。Ｈｇ［８］Ｐａｒｖｉｎ等以聚丙烯腈为原料进行静电纺丝，制备了直径为１００～２０５ｎｍ的纳米纤维膜，并对膜表面进行胺基化处理，研究其对Ｃｕ２＋的吸附特性。测试结果表明纳米纤维膜的表面粗糙度对铜离子的吸附有重要的影响