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防护用静电纺纳米纤维膜制备及过滤性能研究

防护用静电纺纳米纤维膜制备及过滤性能研究

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作者：康乐内蒙古工业大学

学位级别：硕士

医用防护材料是战胜新冠肺炎疫情的重要防疫物资之一。新冠病毒通过搭载空气中的气溶胶进行传播,导致人体感染。医用防护口罩能有效捕捉颗粒物,阻断病毒传播途径。然而传统医用防护口罩采用聚丙烯熔喷布,过度依赖静电作用。驻极电荷随... 详细信息

医用防护材料是战胜新冠肺炎疫情的重要防疫物资之一。新冠病毒通过搭载空气中的气溶胶进行传播,导致人体感染。医用防护口罩能有效捕捉颗粒物,阻断病毒传播途径。然而传统医用防护口罩采用聚丙烯熔喷布,过度依赖静电作用。驻极电荷随呼吸产生的水蒸气发生衰减,导致口罩过滤效率迅速下降,严重影响使用寿命。另外,口罩大量废弃不仅增加经济负担,同时带来巨大环境压力。基于此,本课题采用静电纺丝方法,制备纳米纤维膜,增强纤维对颗粒物机械捕捉能力,实现医用防护材料的高过滤效率、低过滤阻力和长使用寿命。首先,基于静电纺丝方法,探究纺丝工艺参数对聚偏氟乙烯（PVDF）静电纺纳米纤维膜过滤性能的影响。以过滤效率、过滤阻力、品质因数、透气率为目标值,应用方差分析方法优化纺丝工艺。结果表明,PVDF纤维膜过滤效率稳定高于95%,过滤阻力介于86.67到160Pa,满足防护需求。纺丝工艺对过滤效率影响不显著,对过滤阻力影响显著。品质因数和透气率与过滤阻力呈负相关关系。优化纺丝工艺为:浓度15%、电压27k V、距离22cm和流速2.5m L/h。然后,采用双针共轭静电纺方法,分别制备PTFE/PVA纤维和PVDF纤维,通过在线混合得到PTFE/PVA-PVDF层内共混蓬松纤维膜,进一步提升口罩使寿命。利用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶红外光谱（FTIR）表征纤维膜形貌特征及物质结构。测试分析纤维膜热稳定性、摩擦电性能、初始过滤效率、颗粒物过滤疲劳及透气透湿舒适性。结果表明,静电消除情况下,纤维膜可利用摩擦电效应,能将呼吸产生的机械能转化为电能,恢复静电捕捉作用。循环加载过滤24次,持续过滤144分钟,容纳约120mg Na Cl气溶胶,纤维膜仍保持高效低阻和长效寿命,大幅降低口罩更换带来的经济支出和环境压力。最后,利用无机/有机杂化方式,制备银纳米粒子掺杂PVDF纳米纤维/蛛网,赋予防护用纤维膜抗菌功能。采用X-射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）、能谱分析（EDS）、X-射线光电子能谱（XPS）等表征纤维成分及结构。测定纤维膜热性能、过滤疲劳性能、抑菌率和细菌过滤效率。结果表明,成功检测到银纳米粒子（AgNPs）均匀修饰在PVDF纤维表面,纤维间形成纳米蛛网。颗粒物循环过滤24次,发生阻力失效。纤维膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌率超过99%,细菌过滤效率高达96.16%以上。一步法制备AgNPs/PVDF纤维膜,大幅缩短工艺流程,其优异的抗菌功能性在医用领域具有广泛应用前景。

关键词：医用防护口罩静电纺丝技术纳米纤维/蛛网摩擦电效应抗菌性

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