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12材化生实验班

周金花

过滤用纳米纤维膜的制备与应用

一．研究纳米纤维膜的背景

随着工业化进程的加快，空气和水污染日益加剧，严重危害到人类的健康。目前，常用的过滤材料一般采用棉纤维、熔喷聚合物纤维膜和多孔树脂等，可以对空气及污水中的固体颗粒物进行有效的去除，特别是熔喷聚合物纤维膜，在工业及日常生活中对固体颗粒污染物起到了良好的防护作用。然而，随着固体颗粒污染物的直径不断降低，如雾霾天气、超细煤粉灰等，现有的熔喷聚合物纤维膜已不能直接满足要求，需要增加纤维膜的厚度来提高其过滤效果，但是又会造成过滤阻力的大大增加，影响使用效果。近年来，静电纺丝法制备的微纳米聚合物纤维膜具有孔径小、孔隙率高、纤维均匀好以及较低的过滤阻力，通过静电纺丝制备的纳米纤维膜具有很高的渗透性以及相互贯通的孔结构，作为过滤介质具有操作简单、能耗低且分离效率高等优点，能够广泛地应用于不同的过滤领域。但是由于大多数纳米纤维膜孔径很难控制到100nm之内，溶质或微粒容易沉积在膜表面甚至进入到膜内部，这便造成了膜的易污染性，受污染的膜水通量明显降低，影响膜的长久使用，因此纯粹的纳米纤维膜很难使用。许多研究人员对纳米纤维膜进行改性并用于过滤用且取得有效的成果。

二．静电纺丝的原理

静电纺丝技术是将几千伏至几万伏的高压静电作用于聚合物溶液或熔体，使聚合物液滴克服表面张力而产生喷射细流，细流在喷射过程中拉伸固化落在接受屛上，最终形成非织造的，连续的网状纤维毡。静电纺丝设备包含3个基本的组成部分：高压直流电源、带有小直径喷头的毛细管和导电的接收板。由于静电纺丝过程中存在许多不确定因素，所以影响最终纤维形态的因素也有许多，主要分为5个方面：1）聚合物参数，主要是指聚合物的种类和组成、相对分子质量 和溶解性等；2）溶剂参数，主要是指溶剂的沸点；3）溶液参数，主要是指溶液的浓度、黏度、表面张力和导电性等；4）过程控制参数主要是指电压、流速、喷丝头和极板之间的距离；5）环境参数，包括温度、湿度和环境气流速度等。

三．静电纺丝纳米纤维在过滤方面的应用

1.高温过滤

过滤材料按其使用温度可分为常温过滤材料( 使用温度低于150 ℃) 、高温过滤材料( 使用温度介于150 ～ 300 ℃之间) 和超高温过滤材料( 使用温度高于300 ℃)。常温过滤材料通常使用各种常见天然或是合成纤维材料，超高温过滤材料主要是选用无机材料以适应超高温环境，高温过滤材料主要是选用高性能纤维，包括PPS、芳纶、PTFE 和P84 等。过滤材料除满足一定的使用条件( 如强度、温度、酸碱) 外，过滤效率和压降是2 个最重要的考虑因素。普通过滤材料因其自身性能的限制，对超微粒子( 粒径小于1μm) 的过滤性能很难在高温高效上得到兼顾，而这种超微粒子可直接穿透人体细胞，对环境和人体危害较常见粉尘更甚。

王成等通过高压静电纺丝技术制备纳米芳纶纤维毡，与PPS针刺非织造布复合后形成一种材料。通过热分析，强度测试以及过滤效率的测试的分析，发现芳纶纳米纤维毡具有良好的耐热和力学性能，对粒径位于0. 1 ～0. 6μm之间超微粒子过滤效率达到99. 9%，明显高于普通PPS 纤维毡70%以下的过滤效率，从而为制备高温高效过滤材料提供新的技术考。

2.空气过滤

杜晓明等通过静电纺丝法制备聚乙烯纤维材料，利用滑石粉粉尘和香烟烟雾对去除 PM10的效果进行了研究，结果表明静电纺丝过氯乙烯纳米纤维膜对粉尘的过滤作用主要发生在表层, 过滤后的纤维微观表征没有发生直观上的任何变化，静电纺丝过氯乙烯纳米纤维膜滤除粉尘和香烟烟雾的机理以拦截和惯性碰撞为主。 Han Wang等对电纺聚氧乙烯( PEO) 和聚乙烯醇( PVA) 纳米纤维膜的过滤性能进行研究，并与传统过滤材料相比较． 实验结果表明静电纺PEO、PVA 比熔喷无纺布和针刺过滤材料拥有更好的过滤性能，得出相同纺丝条件下纺制不同材料，均有较高的过滤效率． 并且提出了不同材料具有不同的渗透性，提醒研究者关注此问题。

3.液体过滤

李宏春等阐述了通过表面涂覆、共混等手段对纳米纤维膜进行改性，以解决纯纳米纤维膜在使用过程中机械强度低，亲水性差和抗污染性能差的缺点，同时，在涂覆改性过程中，通过对表面涂覆层的进一步交联改性，提高其力学性能，不仅

延长了涂覆层的使用寿命，同时也提高了膜的截留率和在酸碱等恶劣环境下的长期使用性。选择一种合适的改性材料，有效提高膜亲水性、截留率、抗污染性，以及如何有效防止涂覆液的渗透，得到均一性好的涂覆层成为膜涂覆改性研究的重点方向。

4.抗菌过滤

新型的生物气溶胶过滤材料应该具有以下特点: 1) 高过滤效率。一些烈性传染病，吸入少量病原微生物就能感染致病，而且一般微生物粒径较小，如SAＲS 病毒直径在80 ～ 100 nm，这对生物气溶胶过滤材料的过滤效率提出了很高的要求。2) 良好的力学性能和耐腐蚀性。生防过滤材料必须具有一定的强度才能维持正常的防护过滤。3) 抗菌性。为了避免防护过滤材料形成二次污染，防止对人员构成潜在威胁，材料应具有杀菌抗菌性，延长生防材料的使用寿命并减少消毒处理的费用。

王润泽等从静电纺丝纳米纤维的过滤效果、抗菌性能和力学性能等方面综述了其应用于生物气溶胀过滤材料的研究进展。传统的玻纤滤纸要抗菌功能改性，一般只能采用有机抗菌剂浸泡或涂覆的方法。但是这种方法具有一定的弊端，获得的抗菌滤纸抗菌持久性不好，随着时间的推移抗菌效果会打折扣，且涂覆的有机抗菌剂或多或少存在一定的安全隐患。而静电纺丝过滤材料可以在制备过程中通过物理混入无机抗菌剂的方法获得持久、良好、安全的抗菌性能。特别是加入TiO2的静电纺丝过滤材料具有光催化的特性，可以杀灭多种细菌，氧化分解有机污染物和甲醛等有害气体。一些抗菌剂杀灭细菌后残留的内毒素物质也可引起伤寒、霍乱等疾病，而TiO2的光催化抗菌性不仅能杀灭细菌，同时可以穿透细胞膜，降解内毒素排除后期污染。由于静电纺丝材料具有超大比表面积，混入的抗菌剂可均匀分布于材料内部的纤维表面，因此其抗菌效果要好于浸泡和涂覆抗菌剂的玻璃纤维。虽然目前静电纺丝技术及材料尚未成熟，但由于其生物防护过滤功能的独特优势，对新发突发传染病、生物恐怖袭击和生物安全事故的防护有着重要的意义。

Hongyang Ma等通过制备表面功能化的静电纺丝PAN纳米纤维并对其进行了各项表征测试，证实了此纤维膜不仅能够提高至少2-3倍的渗透通量或降低压力降，而且在微量过滤中还能99.9999%去除细菌，99.99%去除噬菌体。

5.固体过滤

杨柳青等采用静电纺丝法制备聚苯乙烯（PS）微纳米纤维膜，研究了静电纺丝工艺对ＰＳ纤维膜微观形貌、纤维直径以及孔隙尺寸分布的影响，并表征了其对固体颗粒物的过滤性能，发现，随着纺丝电压和接收距离的增加，ＰＳ纤维的直径和纤维膜孔隙尺寸减小且分布集中，随着推进速率增加，ＰＳ纤维直径和纤维膜孔隙逐渐增加且分布范围变宽；当纺丝电压为24kv，收集距离为24cm，推进速率为0.318ml/h时所得PS纤维膜的直径和孔隙中位径分别940.1ｎｍ 和1979.4μｍ，对粒径分布为0.4～35μｍ固体颗粒物过滤效率较高，剩余颗粒的平均粒径仅为2.19μｍ。

闫成成等从有机纳米纤维膜、有机－无机复合纳米纤维膜及无机纳米纤维膜等３个方面，介绍了近年来静电纺纳米纤维膜对重金属离子的吸附性能及其相关的研究进展。静电纺纳米纤维膜对重金属离子的吸附性能明显优于传统的吸附分离材料，但要实际应用还有许多待解决的问题。首先，在实际水环境中大部分是多种重金属离子共存的情形，而上述对纳米纤维膜在重金属离子吸附方面的研究，多数是在单组分的重金属离子溶液中进行的，如何通过材料的选择和改性手段制备出在多种重金属离子共存的情况下对目标重金属离子具有较高选择性吸附的功能性纳米纤维膜将成为今后研究的重点方向。其次，相关研究人员对于纳米纤维膜多数采取的是静态吸附研究，对于纤维膜在动态吸附方面的研究机理仍需完善。再次，纳米纤维膜吸附重金属离子目前仍处于实验室研究阶段，由于受静电纺丝过程所限，纳米纤维只受到了静电场力的牵伸，并且多数情况下是纳米纤维无序堆积形成的纤维膜，从而造成了膜的强度不高的问题，而如何从根本上解决这个问题也成为纳米纤维膜在重金属离子吸附方面实际应用的一个关键。相信随着静电纺丝技术的进一步深入研究以及材料改性技术的进步，将有望通过静电纺丝技术制备出更高效、性能更优的纳米纤维吸附材料。

四．静电纺丝纳米过滤材料的缺陷及改善方法

静电纺丝纳米纤维过滤材料有较高的比表面积、孔隙率和通透性，容易吸附微小粒子，可用作各种高性能过滤材料。但静电纺丝纳米纤维材料仍存在许多问题，如材料的机械强度不高、使用寿命短、纺丝过程中纤维的均匀性、取向的一致性以及纤网的稳定性都需要进一步提高，静电纺丝产量低、加工能力不稳定其工业化等也需要进一步研究。

其中机械强度不高是因为纤维在光纤连接时与弱键结合形成了高孔隙度。为了克服这个缺点，就得添加支撑表层来增加膜厚度和阻力。

Liwei Huang等通过溶剂蒸发对两种常见的材料，PAN和PSu进行了处理，最终证实处理后的膜在原有的高孔隙度和水通量改变不大的情况下同时表现出高的拉伸强度。相似的方法可以用于其它聚合物纳米纤维如果有必要提高其强度。 Shahin Homaeigohar等利用热处理使静电纺丝的溶剂残留诱导纤维层间发生粘附，并成功提高了纤维的力学性质。耐机械的纳米纤维膜由于它的更高的结构性整合可以表现出更好的过滤效果。

五．未来与展望

纳米纤维膜以其独特的结构及性能，成为过滤领域的新兴中坚，其发展前景广阔。静电纺丝技术在制备纳米纤维过程中具备对纳米纤维直径、孔径的可控性，成为制备纳米纤维的重要技术。在保证静电纺纳米纤维膜孔径小、孔隙率高、质量轻等优点的前提下，通过表面涂覆、共混等手段对纳米纤维膜进行改性，解决了传统膜水通量低抗污染性能差等问题。同时，在涂覆改性过程中，通过对表面涂覆层的进一步交联改性，提高其力学性能，不仅延长了涂覆层的使用寿命，同时也提高了膜的截留率和在酸碱等恶劣环境下的长期使用性。选择一种合适的改性材料，有效提高膜亲水性、截留率、抗污染性，以及如何有效防止涂覆液的渗透，得到均一性好的涂覆层成为膜涂覆改性研究的重点方向。在实际应用中应与支撑材料复合，以增强其强度． 降低生产成本、提高产品强度和延长材料的使用寿命将是此领域发展的主要方向。

参考文献

[1].王成,纺织学报,20xx,34(7),1-14

[2].刘燕君，王娇娜，李从举,材料导报 Ａ,20xx,26(12),79-82

[3].熊杰,常怀云,应黎君,李妮,纺织学报,20xx,32(9),1-4

[4].闫成成，贾永堂，曾显华，于晖，黄钢，董凤春,材料导报A,20xx,28（5），139-143

[5].杨柳青,汤玉斐,张恒,韦鸿铭,樊凯,赵康，化工新型材料，20xx,42(6),55-58

[6].杜晓明,徐忠厚,李发生,环 境 科 学 研 究,20xx,19(1),46-48

[7].李洪春,王娇娜,李从举,材料导报A,20xx,27(12),76-80

[8].王润泽,王政,吴金辉,王涛,合成纤维工业,20xx,36(4),52-55

[9].高阳,蔡志江,高分子通报,20xx,(12),15-20

[10].李从举,王娇娜,静电纺丝与纳米纤维基水处理膜技术研究,20xx

[11].马利婵,王娇娜,李从举,自然科学版,20xx,33(3),43-47

[12].N. Wang et al. /Separation and Purification Technology 126 (20xx) 44–51

[13].J Mater Sci (20xx) 49:6143–6159

[14].S. Homaeigohar et al. / Separation and Purification Technology 98 (20xx) 456–463

[15].L. Huang et al. / Journal of Membrane Science 436 (20xx) 213–220

[16].H. Maetal./JournalofMembraneScience452(20xx)446–452

第二篇：读书报告

读书报告

书是知识的海洋，书是通向成功之门的铺路石，书是进步的阶梯。如果人们不读书，那就没有精神的粮食，所以大家都离不开书本。那大家都喜欢什么书呢？这都往往因人而异，有的喜欢漫画，有的喜欢童话，有的喜欢伊索寓言……对于大家的课外阅读情况，我做了一个详细的调查。

据调查显示班里有20%的人的课外读物是童话故事，10%的人的课外读物是科普书，26%的人的课外读物是漫画书，28%的人的课外读物是作文，16%的人的课外读物是其它类的书。我还了解40%的家长偶尔带孩子上书店，5%的家长从来不带孩子去书店。读书时间调查显示40%的同学平均每天阅读时间在1个小时内，30%的同学平均每天阅读时间在1个小时左右，20%的同学在两个小时左右，10%的同学在3个小时左右。从这个调查中我们可发现同学们阅读课外书的时间极少，这全怪家长吗？不。这也怪大部分同学们看电视、玩电脑的时间极多。在读书方法统计当中，有10%的人写读后感，20%的人做笔记积累，5%的人画圈点读，65%的人不做标记！可见同学们对读书不是很重视，只是读一两遍就行了，没有做任何标记，我觉得应该多做些标记，才能更加明白、理解这篇文章，对这篇文章才有所记忆。我还查了家长对读书的重视情况，其中重视帮孩子阅读的有25%，偶尔督促孩子阅读的有20%，有孩子自己决定的有55%。从这个统计中我们可了解到家长对孩子读书的重视程度还不够，我觉得家长应该多抽时间去帮助孩子阅读。

从上面这些统计中，我知道了看课外书，可以增长见识，开拓视野。在扩大知识面的同时，提高对事物的认识能力。而且我们还可以通过课外书，多多地积累运用，这样对我们的作文与成长是很有帮助的。我还希望同学们尽量利用看电视、玩电脑的时间来多看课外书，并能做上笔记。我还要呼吁各位家长要多抽时间去督促、帮助孩子们读书。有些同学就因父母不督促，看武侠小说、言情小说，专门跟别人打架、谈恋爱，从而走上了歪路。可见，父母的督促是多么的重要啊！就比如我妈妈的一个表第，就要因他的父母每天都下地干活，对他的学习也不过问。因为学习差，学校里的人也不和他一起玩。他感到很孤独，只能以看武侠小说作伴。他渐渐长大了，对武侠十分痴迷。有一天他就像书中的大侠一样去打人，使一个人身受重伤，被判有期徒刑两年。

我希望同学们应该有选择的看课外书，即使父母不督促，也要选择合适自己的读物。