Large-Scale Fabrication of 3d Gradient Hierarchical Fibrous Filter Materials with Micro-Submicro-Nanofibers for Efficient and Long-Duration Air Filtration

过滤(数学) 材料科学 纤维 多孔性 静电纺丝 制作 复合材料 纳米纤维 空气过滤器 墨盒 纳米技术 聚合物 机械工程 工程类 病理 医学 统计 替代医学 数学 冶金 入口
作者
Xu Zhao,Yanru Bai,Gaohui Fan,Hao Guo,P.W. Shi,Wei Cui,Xuling Jin,Yan Liu,Rongwu Wang,Jianxin He
标识
DOI:10.2139/ssrn.5081780
摘要

Atmospheric particulate matter pollution poses significant threats to human health and the environment. Submicron-fiber filtration materials have received widespread attention owing to their ultrafine dimensions, high porosity, and precise interception capabilities. However, their low dust-holding capacity and rapid resistance increase during use remain challenges. In this study, a modular helical linear free-surface multi-jet electrospinning device was employed to prepare multi-scale fibers (80–800 nm) and combine them with melt-blown non-woven fabrics in a single-step process, creating a three-dimensional gradient hierarchical filtration material (3D-MNFG). The 3D-MNFG exhibits a layered structure with gradient pore sizes transitioning from 18–32 μm to 0.5–2.4 μm, and 0.3–0.4 μm. Under an initial pressure decrease of 90 ± 3 Pa, it achieves high filtration efficiency (97%) and a quality factor of 0.038 Pa−1, even after electrostatic treatment. Furthermore, this novel material overcomes the limitations of existing submicron-fiber membranes by offering a dust holding capacity of 22.02 g/m2. In dynamic filtration tests at high air velocities (28 m/s), its resistance increased gradually, reaching its lifespan limit (450 Pa) after 29 d, significantly outperforming submicron-fiber materials, which saturated within 8 d. Simulations and dynamic tests validate the synergistic filtration mechanism of its multi-scale micro/nano-fibers. The fabricated filtration material shows promising potential for industrial production and commercial applications.
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