气流辅助无针静电纺丝制备高效空气过滤用方便面状卷曲纳米纤维膜

DOI: 10.1002/smll.202107250

颗粒物（PM）污染已成为当下一个严重的环境问题。据广泛报道，纳米纤维过滤器可有效去除污染空气中的PM。在此，研究者提出了一种高效轻质的PM空气过滤器，该过滤器采用由气流场和二次感应电场等辅助场组成的气流协同无针静电纺丝技术制备而成。与使用其他喷丝头的无针静电纺丝相比，其显著提高了纤维空气过滤器的生产率、纤维直径和孔隙率。方便面状的纳米纤维结构也可以通过调节气流速度来进行控制。实验表明，该类空气过滤器具有较高的（2.5μm颗粒物）PM2.5去除效率（99.9%）和（0.3μm颗粒物）PM0.3去除效率（99.1%）、低压降（PM2.5为56Pa，PM0.3为78Pa），以及较大的容尘量（PM2.5最大值为168g/m2，PM0.3最大值为102g/m2）。同时，对所提出的PM过滤器进行测试，其适用于香烟烟雾和锯末等其他污染空气过滤。综上，对这种极具吸引力的纳米纤维结构的大规模合成展现了高性能过滤/分离材料的巨大潜力。

图1.气流协同无针静电纺丝（ASNE）技术和纳米纤维产物示意图。a）ASNE的3D示意图。b）通过横截面视图展示ASNE的内部结构。c）纺丝溶液的力分析及纺丝过程中聚合物射流的演变。d）沉积在PP无纺布上的PVA纳米纤维的数字图像。插图为侧视图数码照片。e）由ASNE制造的PVA纳米纤维的SEM图像。f）PVA和PP样品横截面的SEM图像。插图为横截面的放大图像，展示出混乱的结构。

图2.灵感产生过程和工程化纳米纤维。a）方便面以及方便面和面粉的SEM照片。b）在不同气流速度下针式静电纺丝和ASNE工艺中聚合物射流的视频说明。c）与（b）相关的不同气流速度下的欧姆流动长度。d）在不同气流速度下制造的纳米纤维的曲率。插图为计算说明。e）在不同气流速度下，通过针式静电纺丝和ASNE制备的PVA纳米纤维的SEM图像和相应的纤维直径分布图。

图3.空气过滤性能。采用针式静电纺丝和ASNE工艺制备的PVA纳米纤维膜的a）空气过滤效率、b）压降、c）品质因数和d）容尘量，使用0.3µm颗粒物进行测试。采用针式静电纺丝和ASNE工艺制备的PVA纳米纤维膜的e）空气过滤效率、f）压降、g）品质因数和h）容尘量，使用2.5µm颗粒物进行测试。

图4.a）在同一环形框架上具有不同基重的空气过滤器的数字图像。b）在PM2.5过滤介质下，过滤效率和压力随着基重的变化而变化。c）在PM2.5过滤介质下，品质因数随着基重的变化而变化。d）在PM2.5过滤介质下，将这种纳米纤维过滤器与其他过滤器进行比较。e）在PM0.3过滤介质下，过滤效率和压力随着基重的变化而变化。f）在PM0.3过滤介质下，品质因数随着基重的变化而变化。g）在PM0.3过滤介质下，将这种纳米纤维过滤器与其他过滤器进行比较。h）压降和过滤机制演变随着测试时间的变化而变化。i-k）不同状态下沉积在纳米纤维上的气溶胶颗粒的SEM图像。比例尺代表1µm。

图5.a）PVA纳米纤维交联前后的SEM图像。比例尺代表10µm。b）PVA纳米纤维膜交联前后的FTIR光谱。c）不同交联时间的PVA纳米纤维的水接触角。d）不同交联时间的PVA纳米纤维的空气过滤效率和阻力。

图6.a）不同纤维直径（300、200和100nm）的单纤维区域的速度分布模拟。b）具有不同连接结构的纤维区域的速度分布模拟：合并纤维、交叉纤维和卷曲纤维。

图7.a）室外过滤测试仪示意图。b）过滤后PVA纳米纤维膜的数字图像，以及过滤后PVA纳米纤维膜正面和背面的SEM图像。c,d）使用不同颗粒介质进行PVA纳米纤维膜过滤试验。e）2020年12月1日至2020年12月31日在中国成都进行的室外过滤测试。插图为延长周期测试的自动测试设置。f）PVA纳米纤维覆盖一般PP口罩的图片。g）不同流速下普通口罩和覆盖有PVA纳米纤维的普通口罩的过滤效率和阻力比较。

1、放大率：

与普通光学显微镜不同，在SEM中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕/照片面积除以扫描面积得到。

所以，SEM中，透镜与放大率无关。

2、场深：

在SEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEM可以用于纳米级样品的三维成像。

3、作用体积：

电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用“体积”。

4、工作距离：

工作距离指从物镜到样品最高点的垂直距离。

如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深。如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率。通常使用的工作距离在5毫米到10毫米之间。

5、成象：

次级电子和背散射电子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。

6、表面分析：

欧革电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。

表面分析以特征X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常精确，可以检测到“痕迹元素”的存在但耗时太长。

观察方法：

如果图像是规则的（具螺旋对称的活体高分子物质或结晶），则将电镜像放在光衍射计上可容易地观察图像的平行周期性。

尤其用光过滤法，即只留衍射像上有周期性的衍射斑，将其他部分遮蔽使重新衍射，则会得到背景干扰少的鲜明图像。

扩展资料：

SEM扫描电镜图的分析方法：

从干扰严重的电镜照片中找出真实图像的方法。在电镜照片中，有时因为背景干扰严重，只用肉眼观察不能判断出目的物的图像。

图像与其衍射像之间存在着数学的傅立叶变换关系，所以将电镜像用光度计扫描，使各点的浓淡数值化，将之进行傅立叶变换，便可求出衍射像〔衍射斑的强度（振幅的2乘）和其相位〕。

将其相位与从电子衍射或X射线衍射强度所得的振幅组合起来进行傅立叶变换，则会得到更鲜明的图像。此法对属于活体膜之一的紫膜等一些由二维结晶所成的材料特别适用。

扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。

参考资料：百度百科-扫描电子显微镜

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