DOI:10.1016/j.memsci.2020.117879
由于近年來嚴重的空氣污染，尤其是對于亞洲國家而言，超高效駐極體空氣過濾器備受關注。然而，抑制電荷耗散以保持穩定的電子捕獲效率的關鍵問題仍然是一個挑戰。本文研究了異丙醇蒸氣和高濕度下靜電紡絲膜和電暈帶電膜的駐極體機理、電荷降解動力學和過濾壽命。在原位放電和監測裝置上測量了表面電位的退化。與電暈帶電膜相比，電紡膜具有更長的電荷保持時間。為了定量描述電荷老化特性，提出了一種基于淺陷阱和深陷阱的雙層陷阱模型。結果表明，在靜電紡絲過程中，除表面電荷外，還形成了深能級陷阱中的體積電荷。此外，利用熱激退極化電流技術研究了電紡膜的電荷儲存機理，結果表明在電紡膜中捕獲到體積電荷，并且電紡過程中產生了偶極電荷。采用掃描開爾文探針顯微鏡在單個電紡納米纖維上實現了直接電荷映射。利用深阱中的體積電荷，電紡膜在95%濕度下過濾40 h，過濾效率僅下降3.67%。由固有介電特性的聚合物組成的電紡膜具有豐富的體積電荷和增強的電荷穩定性，且顯示出很好的過濾性能，是一種很有前途的空氣污染控制材料。
圖1.顯示電紡膜和電暈帶電膜如何形成的示意圖，并測試了它們在暴露于異丙醇蒸氣和高濕度下的表面電勢退化情況。
圖2.納米纖維膜過濾測試的實驗裝置。
圖3.（a）PMMA電紡膜（b）PI電紡膜的SEM圖像，（c）暴露于飽和IPA蒸氣的電紡膜和電暈帶電膜的特征放電時間，（d）用IPA繪制PMMA和PI的漢森溶解度球體。（e）（i）PMMA電紡膜、（f）（j）PMMA電暈帶電膜、（g）（k）PI電紡膜和（h）（l）PI電暈帶電膜的表面電勢退化以及–tdV/dt與log（t）曲線。
圖4.（a）暴露于不飽和IPA蒸氣的PMMA和（b）PI膜的表面電勢退化，其濃度分別為9280、14160和19080 ppm。
圖5.（a）暴露在高濕度下的（a）PMMA電紡膜、（b）PMMA電暈帶電膜、（c）PI電紡膜和（d）PI電暈帶電膜的表面電勢退化和雙指數擬合。
圖6.（a）電暈帶電膜和電紡膜中電荷類型的示意圖，（b）PMMA電紡膜和流延膜的TSDC光譜（測量了三個電紡樣品以確認結果的可重復性）。插圖顯示了在80-140℃之間的TSDC頻譜的放大圖，該圖表示由于偶極電荷產生的電流。
圖7.（a）PMMA電紡納米纖維的AFM形貌，（b）對應的SKPM電勢圖，虛線對應于c中的曲線，（c）PMMA電紡納米纖維的橫向電勢分布，（d）PI電紡絲納米纖維的AFM形貌，（e）對應的SKPM電勢圖，虛線對應于f中的曲線，（f）PI電紡納米纖維的橫向電勢分布。
圖8.（a）具有不同靜電紡電壓（15、20、25和30 kV）的PMMA電紡膜的初始表面電勢，（b）具有30 kV靜電紡電壓的PMMA電紡膜的表面電勢退化。
圖9.納米纖維膜在表面速度為5 cm s-1時對20–400 nm NaCl顆粒的過濾性能評估。（a）原始PMMA電紡膜和IPA蒸氣放電膜的過濾效率，（b）經過95％高濕度處理的PMMA電紡膜和電暈帶電膜的過濾效率。
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