【摘要】：在過去的幾十年中,“霧霾”已經(jīng)給人們的生活帶來了很多嚴(yán)重的困擾。例如在交通方面,霧霾會(huì)使可視度降低,引起交通擁擠,航班延誤甚至取消等問題。同時(shí),高濃度的PM2.5意味著污染的空氣會(huì)給人們的身體健康帶來極大的危害。有研究表明霧霾還會(huì)對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。美國商會(huì)的調(diào)查顯示,在中國,空氣質(zhì)量已經(jīng)成為高端人才選擇就業(yè)城市的一個(gè)重要因素。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)排放的廢氣中灰塵顆粒物的粒徑越來越小。研究者在歐洲及亞洲的許多城市已經(jīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行了實(shí)地考察來探究微小顆粒物的形成原因。與此同時(shí),除塵技術(shù)的開發(fā)也著眼于對(duì)小粒徑顆粒物的過濾,如PM2.5甚至PM1.0。而現(xiàn)有除塵技術(shù)中使用的過濾材料也存在一些應(yīng)用上的局限性,大部分過濾材料只能對(duì)經(jīng)過冷卻處理后的氣體進(jìn)行過濾,不能直接對(duì)高溫廢氣進(jìn)行除塵處理。這樣的過濾方式勢必會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)帶來額外的能源及經(jīng)濟(jì)損耗。因此,對(duì)高溫氣體過濾材料的研發(fā)就變得非常重要。目前,多種材料已經(jīng)被研發(fā)并運(yùn)用于高溫氣體過濾領(lǐng)域中。例如,聚四氟乙烯(PTFE)纖維過濾材料、聚苯硫醚(PPS)纖維過濾材料、玻璃纖維過濾材料、陶瓷纖維過濾材料以及金屬纖維過濾材料等。然而,這些傳統(tǒng)過濾材料的纖維直徑較大、織物的孔徑也大,對(duì)小粒徑微塵顆粒物幾乎沒有過濾效果,因此該類過濾材料已經(jīng)不能滿足目前的除塵標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí),上述這些過濾材料在高溫環(huán)境下的使用壽命較短,頻繁更換濾袋會(huì)給工業(yè)生產(chǎn)帶來更大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此,高效、節(jié)能、耐高溫的過濾材料有待進(jìn)一步開發(fā)。通常來說,當(dāng)過濾材料的纖維直徑和織物的孔徑減小時(shí),其過濾效率就會(huì)增大。由于納米纖維過濾材料具有較小的孔徑、較細(xì)的纖維直徑以及較大的比表面積,因此近年來被越來越多地應(yīng)用到氣體過濾領(lǐng)域中。在過濾過程中,納米纖維具有氣體滑脫效應(yīng),即使其結(jié)構(gòu)緊密也不會(huì)給過濾材料造成太大的過濾壓降。目前已經(jīng)研發(fā)出了多種超細(xì)纖維過濾材料,如Ultra-Web?、Fibra-Web?、Finetex Mats TM以及AMSOIL Ea。然而,這些材料的機(jī)械性能及耐高溫性能都無法滿足高溫工業(yè)廢氣除塵的使用要求,因此都不能在高溫工業(yè)廢氣除塵中進(jìn)行應(yīng)用。針對(duì)上述問題,本研究采用了聚酰亞胺納米(PI)纖網(wǎng)、碳纖維機(jī)織物以及碳納米管材料來制備高溫氣體過濾材料并對(duì)其過濾性能進(jìn)行了研究。研究內(nèi)容主要包括以下4大部分:(1)為了制備過濾性能優(yōu)越的高溫氣體過濾材料,本文首先制備了聚酰亞胺納米纖網(wǎng)/機(jī)織物多尺度纖維復(fù)合過濾材料來對(duì)微小顆粒物進(jìn)行過濾。研究中選用聚酰亞胺納米纖網(wǎng)作為過濾層材料,選用碳纖維機(jī)織物、玻璃纖維機(jī)織物以及芳綸纖維機(jī)織物作為力學(xué)增強(qiáng)層材料。力學(xué)增強(qiáng)層材料主要用來彌補(bǔ)納米纖網(wǎng)力學(xué)性能不足的缺陷。研究結(jié)果表明,碳纖維機(jī)織物是三種力學(xué)增強(qiáng)層材料中力學(xué)性能最好的一種材料。并且聚酰亞胺納米纖網(wǎng)/碳纖維機(jī)織物復(fù)合過濾材料在2m/min的測試風(fēng)速下經(jīng)過連續(xù)17分鐘的過濾處理后,過濾效率可達(dá)99.99%,而過濾壓降僅為230 Pa。這種復(fù)合濾料突出的過濾性能不僅僅是因?yàn)榫埘啺芳{米纖網(wǎng)和碳纖維機(jī)織物的熱穩(wěn)定性能好,更加重要的是,在整個(gè)過濾過程中濾料具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。(2)在第一部分研究的基礎(chǔ)上,本課題接著對(duì)綜合性能較好的聚酰亞胺納米纖網(wǎng)/碳纖維機(jī)織物復(fù)合濾料進(jìn)行了深入研究。通過控制聚酰亞胺納米纖網(wǎng)的平方米克重制備出了一系列聚酰亞胺納米纖網(wǎng)/碳纖維機(jī)織物復(fù)合過濾材料。研究中選用一種商業(yè)用P84/玻璃纖維復(fù)合非織造濾料作為對(duì)比樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本研究制備的所有復(fù)合過濾材料的過濾效率均比對(duì)比樣的過濾效率高。此外,復(fù)合過濾材料的過濾性能先隨著聚酰亞胺(PI)納米纖網(wǎng)面密度的增大而增大,當(dāng)達(dá)到一個(gè)臨界面密度值時(shí)(11.64 g/m2),其過濾效率隨著PI納米纖網(wǎng)面密度的增大而趨于穩(wěn)定。為了觀察這種復(fù)合濾料的可重復(fù)使用性能,研究中還使用了一個(gè)自制的簡易反向氣流清灰裝置對(duì)復(fù)合濾料進(jìn)行清灰處理,清灰氣壓為500 k Pa。經(jīng)過6次循環(huán)清灰處理后,復(fù)合過濾材料的過濾效率仍然可以保持在99.99%,而過濾壓降增大到410Pa。熱穩(wěn)定性測試結(jié)果表明,本研究制備的復(fù)合濾料在260oC時(shí)可以保持較好的過濾性能和機(jī)械性能。SEM測試結(jié)果顯示,PI納米纖網(wǎng)在過濾過程中起主要過濾作用。力學(xué)增強(qiáng)層碳纖維機(jī)織物由于孔徑較大,在過濾過程中不會(huì)造成整個(gè)復(fù)合濾料過濾壓降的明顯增大,并且這種大孔徑結(jié)構(gòu)有利于清灰過程中灰塵顆粒物的排出。這種突出的結(jié)構(gòu)特性以及良好的過濾性能使聚酰亞胺納米纖網(wǎng)/碳纖維機(jī)織物復(fù)合過濾材料在高溫氣體過濾領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。(3)由前兩部分的研究可知,含納米纖網(wǎng)的復(fù)合濾料具有較高的過濾效率。然而由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密,納米纖網(wǎng)的引入勢必增大了整個(gè)復(fù)合濾料的過濾壓降。因此,在第三部分的研究中,不再使用納米纖網(wǎng),而是直接使用碳纖維機(jī)織物作為過濾材料,通過給其加載高壓,將靜電除塵原理與袋式除塵技術(shù)相結(jié)合,制備出了加載電壓碳纖維機(jī)織物過濾材料。為了研究分析不同測試條件對(duì)加壓碳纖維機(jī)織物過濾性能的影響,本課題對(duì)以下因素進(jìn)行了表征和分析:碳纖維機(jī)織物的面密度、氣體流速、碳纖維機(jī)織物的層數(shù)以及相對(duì)濕度。研究結(jié)果表明,加載在碳纖維機(jī)織物上的起暈電壓應(yīng)當(dāng)大于20 k V,并且過濾效率隨著加載電壓的增大而增大。當(dāng)加載電壓為40 k V時(shí),其對(duì)PM1.0的過濾效率可達(dá)90%,而過濾壓降僅為6 Pa。與聚酰亞胺納米纖網(wǎng)/碳纖維機(jī)織物復(fù)合濾料的過濾壓降(251 Pa)相比,加載電壓碳纖維機(jī)織物過濾材料的過濾壓降大幅度降低。當(dāng)過濾風(fēng)速從2 m/min增大到4 m/min時(shí),加載30 k V和40 k V電壓的碳纖維機(jī)織物的過濾效率降低了約13%,然而當(dāng)過濾風(fēng)速進(jìn)一步增大,從4 m/min增大到8 m/min時(shí),過濾效率基本保持不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,增加的碳纖維機(jī)織物層數(shù)對(duì)過濾效率的影響并不大。然而過濾效率卻隨著相對(duì)濕度的增大而大幅度升高,當(dāng)相對(duì)濕度由40%升高到95%時(shí),過濾效率升高到99.8%,而起暈電壓降低到了10 k V。此外,本研究制備的加壓碳纖維機(jī)織物過濾材料還具有很好的抗菌性能。(4)經(jīng)過前面三部分的研究,本課題最后一章旨在研究制備一種過濾效率高、過濾壓降低而力學(xué)性能強(qiáng)的純納米纖維過濾材料。研究中將連續(xù)的碳納米管夾在了上下兩層聚酰亞胺納米纖網(wǎng)中間,制備出了碳納米管/聚酰亞胺納米纖網(wǎng)復(fù)合過濾材料來進(jìn)行高溫氣體過濾。此部分研究選用直徑為260 nm的聚酰亞胺納米纖網(wǎng)作為力學(xué)增強(qiáng)層材料,直徑為600 nm的靜電紡聚醚酰亞胺納米纖維作為粘結(jié)層材料。碳納米管薄膜與聚酰亞胺納米纖網(wǎng)通過聚醚酰亞胺納米纖維進(jìn)行粘結(jié),形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合氣體過濾材料。其中,碳納米管的平均直徑為30 nm。研究中制備了兩種不同結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合濾料。在其中一種結(jié)構(gòu)中,碳納米管薄膜間層層緊挨;而另一種結(jié)構(gòu)中,碳納米管薄膜之間紡制了聚醚酰亞胺納米纖網(wǎng)。過濾性能測試結(jié)果顯示,納米結(jié)構(gòu)復(fù)合濾料的過濾效率隨著碳納米管層數(shù)的增加而增大,其中4層碳納米管復(fù)合濾料對(duì)粒徑為0.3 um微塵顆粒物的過濾效率高達(dá)99.99%,而過濾壓降僅為120 Pa,與聚酰亞胺納米纖網(wǎng)/碳纖維機(jī)織物復(fù)合濾料的過濾壓降相比(251 Pa),此部分制備的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合過濾材料的過濾壓降大幅度降低,而過濾效率卻依舊很高。機(jī)械性能測試結(jié)果表明碳納米管薄膜的加入增強(qiáng)了整個(gè)復(fù)合濾料的力學(xué)性能,其中4層碳納米管復(fù)合濾料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了9 MPa,屬于納米纖維材料中拉伸強(qiáng)度較大的薄膜。此部分研究還測試分析了復(fù)合濾料對(duì)高溫氣體的過濾性能。結(jié)果表明,本研究制備的納米復(fù)合濾料可對(duì)200oC以下的氣體進(jìn)行過濾。綜上所述,本課題研究了三種高溫氣體過濾體系。首先制備了靜電紡納米纖維與機(jī)織物(碳纖維機(jī)織物、玻璃纖維機(jī)織物及芳綸纖維機(jī)織物)的復(fù)合耐高溫氣體過濾材料,并對(duì)其結(jié)構(gòu)特性、拉伸性能、彎曲性能以及過濾性能進(jìn)行了研究。然后,對(duì)綜合性能較好的聚酰亞胺納米纖網(wǎng)/碳纖維機(jī)織物復(fù)合濾料進(jìn)行了多方面、多角度深入研究。接著,不再使用聚酰亞胺納米纖網(wǎng),而在碳纖維機(jī)織物上直接加載高電壓,制備出了加載電壓碳纖維機(jī)織物過濾材料。研究了加載電壓大小、氣體流速、碳纖維機(jī)織物層數(shù)、以及相對(duì)濕度對(duì)此結(jié)構(gòu)濾料過濾性能的影響。最后,研究制備了過濾效率高而過濾壓降低的靜電紡納米纖維與碳納米管的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合高溫氣體過濾材料。通過改變碳納米管在復(fù)合濾料中的嵌入結(jié)構(gòu),制備了兩種不同結(jié)構(gòu)的濾料,并對(duì)納米復(fù)合濾料的結(jié)構(gòu)特性、拉伸性能以及熱處理前后的過濾性能進(jìn)行了研究分析。研究結(jié)果表明,這三種過濾體系都具有突出的過濾效率以及良好的耐高溫特性,可作為高溫氣體過濾材料使用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TS106.62

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本文編號(hào)：2407336