梯度结构蛛网/纳米纤维复合膜优化方案

通过对含有纳米蛛网结构的纤维膜进行实际测试发现，由于蛛网的孔径很小，导致许多粒径较大的颗粒被拦截沉积在纤维膜表面形成滤饼，从而导致材料的阻力压降迅速增加。因此，亟需一种有效的方法来解决这一问题。经过多种方案的试验后发现，将具有不同直径的纤维的优势结合起来，建立一个从微米级到亚微米级再到纳米级的梯度结构，利用逐级过滤的方式来实现对不同粒径颗粒的有效拦截是一种行之有效的方法。

通过静电纺丝的方法分别制备了PSU微米纤维膜、PAN纳米纤维膜，并采用静电喷网技术制备了尼龙6（PA-6）纳米蛛网膜，通过结构优化最终制备出了PSU/PAN/PA-6多尺度复合过滤膜，其结构如图3-22（a）中的插图所示［72］。从图中可以看出，PSU微米纤维层、PAN纳米纤维层、PA-6纳米蛛网层紧密地结合在一起，并且不同纤维层交界处的纤维相互交叉形成了一个紧密规整的多层复合过滤膜材料。PSU纤维层中纤维的平均直径为1μm，PSU微米纤维膜的孔径范围在2～2.5μm，因此可以用于拦截粒径＞2μm的颗粒物。而PAN纤维层中纤维平均直径为220nm，膜的孔径范围在0.5～0.7μm，可用于拦截粒径＞0.5μm的颗粒物。PA-6纳米蛛网中纤维的平均直径在24nm，膜孔径范围为0.25～0.3μm，因而可以实现对0.3～0.5μm粒径颗粒物的有效拦截。将三层结构进行复合时，所得PSU/PAN/PA-6复合膜的孔径范围为0.32～0.34μm，平均孔径为0.33μm，且具有高度的蓬松性和高孔隙率（93.2%）。

进一步对复合膜的空气过滤性能进行测试，如图3-22（a）所示，PSU/PAN/PA-6复合膜可实现对不同粒径颗粒的高效拦截。其中复合膜对粒径＞1μm的颗粒的过滤效率为100%，对粒径为0.3μm的NaCl气溶胶颗粒的过滤效率为99.992%。图3-22（b）为PSU/PAN/PA-6复合膜在不同风速下的过滤效率、阻力压降和品质因子，可以看出，随着风速的增加，复合膜的过滤效率从99.995%下降到99.990%，但仍然维持在HEPA水平，而阻力压降呈现出线性增加，该规律完全符合达西定律［73-74］。(www.xing528.com)

图3-22　（a）PSU/PAN/PA-6复合膜对不同粒径颗粒的过滤性能，插图为PSU/PAN/PA-6复合膜结构图；（b）不同风速下，PSU/PAN/PA-6复合膜的过滤效率、阻力压降和品质因子

综上所述，梯度结构蛛网/纳米纤维复合膜可以实现对不同粒径颗粒的拦截，且能够在维持较高过滤效率的同时有效地控制压阻的增加速率。