溶液吹纺分级结构氮化硼纳米片/聚丙烯腈纳米纤维膜用于高效空气过滤

林欣; 张亮亮; 王匀; 李瑞涛

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20230417.003

溶液吹纺分级结构氮化硼纳米片/聚丙烯腈纳米纤维膜用于高效空气过滤

江苏大学　机械工程学院，镇江 212013

基金项目: 江苏大学人才启动基金(18JDG030)；泰州市科技成果转化项目(SCG202220)；扬州市重点研发项目(SCY2022010022)

详细信息

通讯作者:
李瑞涛，博士，教授，硕士生导师，研究方向为纳米纤维和复合金属材料　E-mail: RLI3@e.ntu.edu.sg

中图分类号: TB332
计量
- 文章访问数: 898
- HTML全文浏览量: 367
- PDF下载量: 31
出版历程
- 收稿日期: 2023-02-14
- 修回日期: 2023-03-29
- 录用日期: 2023-04-07
- 网络出版日期: 2023-04-16
- 刊出日期: 2023-11-30

Solution blow spinning hierarchically structured boron nitride nanosheets/polyacrylonitrile nanofiber membranes for efficient air filtration

School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China

Funds: Senior Talent Foundation of Jiangsu University (18JDG030); Taizhou Science and Technology Achievement Transformation Project (SCG202220); Yangzhou Key RD Project (SCY2022010022)

摘要

摘要: 空气中的污染物颗粒(PM)已经成为一个严重的环境问题，因此急需开发高效的空气过滤器。在本研究中，利用溶液吹纺(SBS)和雾喷技术，采用高横纵比的氮化硼纳米片(BNNSs)对聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜的表面进行雾喷改性，建立起分级结构，从而提高纳米纤维膜的比表面积，有效捕捉PM污染物。研究结果显示，具有分级结构的4-BNNSs/PAN空气过滤膜对PM2.5的过滤效率为95.13%，压降为34 Pa，与纺丝时长相同的PAN过滤膜相比，过滤效率提高了9.46%，而压降只提高了13 Pa，综合过滤表现更佳。本研究表明，通过将高比表面积的BNNSs雾喷到PAN纳米纤维膜的表面，构建分级结构的BNNSs/PAN复合膜是开发新型空气过滤膜的实用改性技术。
- 溶液吹纺(SBS) /
- 纳米纤维 /
- 分级结构 /
- 空气过滤 /
- 氮化硼纳米片 /
- 聚丙烯腈
Abstract: Particulate matter (PM) pollution in the air has become a serious environmental problem, and therefore highly efficient air filters need to be developed to cope with these. In this work, we used solution blow spinning (SBS) and mist spraying to modify the surface of polyacrylonitrile (PAN) nanofiber membranes with high aspect ratio of boron nitride nanosheets (BNNSs) to build a hierarchical structure, thus enhancing the specific surface area of nanofiber membranes and effectively capturing PM pollutants. The results show that the 4-BNNSs/PAN air filtration membranes with graded structure have 95.13% filtration efficiency and 34 Pa pressure drop for PM2.5, which is 9.46% higher filtration efficiency and only 13 Pa higher pressure drop compared with PAN filtration membranes with the same spinning time, resulting in better overall filtration performance. This work reveals that the construction of hierarchically structured BNNSs/PAN composite membranes by mist spraying BNNSs onto the surface of PAN nanofiber membranes is a practical modification technique for the development of new air filtration membranes.
- solution blow spinning (SBS) /
- nanofiber /
- hierarchical structure /
- air filtration /
- boron nitride nanosheets /
- polyacrylonitrile

HTML全文

纤维增强复合材料具有比强度高、比模量大等优点，已被广泛应用于航空航天等工业领域^[1]。但复合材料对冲击敏感性较高，内部受低速冲击后会产生不可见损伤，造成安全隐患。碳纤维-玻璃纤维混杂复合材料是将碳纤维及玻璃纤维在同一种基体内成型的复合材料，可有效提高复合材料的力学性能^[2-3]。目前对混杂复合材料低速冲击性能的研究主要集中在混杂结构和纤维种类上^[4-5]。Swolfs等^[6]研究发现，将低伸长率纤维放在层合板中间位置，可有效提高抗侵彻性能。Hung等^[7]分析了碳纤维-玻璃纤维层间混杂复合材料低速冲击性能，发现将碳纤维置于冲击面时抗冲击性能更强。Manikandan等^[8]研究发现，将韧性纤维置于复合材料背面可吸收更多冲击能量，原因是由于下部韧性层可为上部脆性层提供更大的变形。Sarasini等^[9]对玻璃纤维-玄武岩纤维混杂复合材料进行低速冲击研究表明，玄武岩纤维为芯层的夹芯混杂结构吸收冲击能量更多，玻璃纤维为芯层时弯曲性能较好。有限元分析是分析低速冲击的有效手段，Liu等^[10]对比了Puck、Hashin及Chang-Chang失效准则对低速冲击预测的区别，结果表明，三种准则在低速冲击响应和能量耗散方面的预测结果基本一致，在基体和分层损伤的预测上有所不同。Hou等^[11]基于连续介质损伤力学(CDM)建立了含修补区域的复合材料低速冲击模型，采用基于断裂韧性的损伤变量，研究了修补区厚度及铺层结构对低速冲击性能的影响。Ebina等^[12]对不同铺层结构的碳纤维复合材料进行低速冲击模拟，面内损伤采用增强连续介质力学(ECDM)模型，纤维损伤采用裂缝模型(SCM)，层间采用界面单元(CZM)，模拟结果与实验数据拟合度较高。Chen等^[13]建立了碳纤维-玻璃纤维-玄武岩纤维复合材料低速冲击损伤模型，定义指数型损伤变量，研究发现，碳纤维为芯层的夹芯结构抗冲击性能较好，玄武岩-碳纤维混杂结构与碳纤维-玻璃纤维混杂结构的冲击响应类似。Wu等^[14]建立了纱线尺度的三维正交碳纤维-玻璃纤维混杂复合材料低速冲击模型，采用代表性体积单元(RUC)计算复合材料层合板宏观力学参数，研究发现，冲击面为碳纤维时抗冲击性能更好，破坏主要为冲击面碳纤维断裂和上层纤维-基体分层损伤，冲击面为玻璃纤维时破坏主要为复合材料层合板背部分层损伤。由于冲击速度较低，应变率效应不明显，大多数复合材料低速冲击研究会忽略应变率效应^[15-16]。部分低速冲击数值模拟研究考虑了应变率效应，Wang等^[17]建立了应变率相关的碳纤维复合材料低速冲击三维损伤模型，采用修正的复合材料应力-应变关系及考虑应变率效应的层内层间损伤模型，模拟结果与实验数据拟合程度较好。

本文以碳纤维-玻璃纤维混杂复合材料为研究对象，分析混杂结构和冲击面纤维种类对低速冲击性能的影响。采用商业有限元软件ABAQUS建立了层间和层内两类混杂复合材料低速冲击模型，层内混杂复合材料采用纱线尺度模型。编写VUMAT子程序定义指数型渐进损伤因子及刚度退化方案，考虑纤维断裂、基体开裂、分层等损伤，通过分析实验数据及损伤形貌，揭示了碳纤维-玻璃纤维混杂复合材料低速冲击损伤破坏机制。

1. 实验及仿真方法

1.1 原材料及试样制备

单向经编织物(NCF)采用碳纤维(CF，TORAY T620SC-24K-50C)和玻璃纤维(GF，CPIC ECT469L-2400)制成，包括纯CF和纯GF的NCF织物及两种层内混杂织物，织物规格如表1所示，其中CF-GF和CF-CF-GF-GF为层内混杂织物，织物结构示意图如图1所示。环氧树脂，型号为2511-1A/BS风电叶片真空灌注专用树脂，主剂与固化剂质量比为100∶30，上纬(天津)公司。

表 1 碳纤维-玻璃纤维(CF-GF)单向经编织物(NCF)规格

Table 1. Specifications of carbon fiber-glass fiber (CF-GF) non-crimp fabric (NCF)

Fabric type	Areal density/(g·m⁻²)		Mass ratio of CF to GF
Fabric type	CF	GF	Mass ratio of CF to GF
CF	728.3	0	1∶0
GF	0	944.9	0∶1
CF-GF	364.2	472.4	1∶1
CF-CF-GF-GF	364.2	472.4	1∶1

下载: 导出CSV

| 显示表格

图 1 CF-GF层内混杂织物结构示意图

Figure 1. Schematic structure of CF-GF intralayer hybrid NCF fabrics

下载: 全尺寸图片幻灯片

本文设计层间和层内两类混杂结构，层内混杂层合板由CF-GF和CF-CF-GF-GF两种层内混杂织物铺层而成。各层合板的CF-GF混杂比均为1∶1，铺层方式为(0°/90°)_4S，共8层，根据混杂结构及冲击面纤维种类进行命名，如表2所示，其中S-C和S-G采用夹芯式层间铺层形式。采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺成型，固化条件为80℃、8 h。

表 2 CF-GF混杂复合材料层合板铺层结构

Table 2. Stacking configurations of CF-GF hybrid composite laminates

Hybrid structure	Stacking sequence	Nomenclature
Non-hybrid	(CFCFCFCF)_2s	C
Non-hybrid	(GFGFGFGF)_2s	G
Interply-hybrid	(CFGFCFGF)_2s	I-C
Interply-hybrid	(GFCFGFCF)_2s	I-G
Sandwich-hybrid	(CFCFGFGF)_2s	S-C
Sandwich-hybrid	(GFGFCFCF)_2s	S-G
Intralayer-hybrid	(CF-GF) fabric	CN-1
Intralayer-hybrid	(CF-CF-GF-GF) fabric	CN-2

下载: 导出CSV

| 显示表格

1.2 性能测试

按照ASTM D7136M—05^[18]，采用INSTRON-9250HV落锤试验机进行低速冲击实验，通过改变冲击速度控制冲击能量，设置两个冲击能量分别为30 J和50 J，试样尺寸为100 mm×150 mm×6 mm，每组测试5个试样。利用NAUT21空气耦合式超声波C扫监测复合材料冲击后分层损伤，采用Bruker SkyScan1072进行Micro-CT测试，观察内部损伤形貌。

1.3 有限元模型

1.3.1 复合材料损伤准则

Hashin失效准则被广泛应用于分析预测复合材料损伤破坏^[19]，但复合材料在损伤过程中冲击点附近的应力变化剧烈，应力形式的Hashin失效准则无法准确描述材料破坏过程，而应变在冲击过程中的变化较为平缓，更适合作为复合材料的失效判据。因此，本文采用基于应变形式的Hashin失效准则^[20]，具体表达式如下：

纤维拉伸断裂 ( ${\varepsilon }_{11}\geqslant 0$ )：

${e}_{\rm{f}}^{\rm{t}}={\left(\frac{{\varepsilon }_{11}}{{\varepsilon }_{11}^{\rm{T}}}\right)}^{2}+{\left(\frac{{\varepsilon }_{12}}{{\tau }_{12}}\right)}^{2}+{\left(\frac{{\varepsilon }_{13}}{{\tau }_{13}}\right)}^{2}\geqslant 1$

(1)

纤维压缩断裂 ( ${\varepsilon }_{11}\leqslant 0$ )：

${e}_{\rm{f}}^{\rm{c}}={\left(\frac{{\varepsilon }_{11}}{{\varepsilon }_{11}^{\rm{C}}}\right)}^{2}\geqslant 1$

(2)

基体拉伸断裂( ${\varepsilon }_{22}\geqslant 0$ )：

${e}_{\rm{m}}^{\rm{t}}={\left(\frac{{\varepsilon }_{22}}{{\varepsilon }_{22}^{\rm{T}}}\right)}^{2}+{\left(\frac{{\varepsilon }_{12}}{{\tau }_{12}}\right)}^{2}+{\left(\frac{{\varepsilon }_{23}}{{\tau }_{23}}\right)}^{2}\geqslant 1$

(3)

基体压缩断裂( ${\varepsilon }_{22}\leqslant 0$ )：

$\begin{split} e_{\rm{m}}^{\rm{c}} = &{\left( {\frac{{{E_{22}}{\varepsilon _{22}}}}{{2{G_{12}}{\gamma _{12}}}}} \right)^2} + {\left( {\frac{{{\varepsilon _{22}}}}{{\varepsilon _{22}^{\rm{T}}}}} \right)^2}\left[ {\left( {{{\left( {\frac{{{E_{22}}\varepsilon _{22}^{\rm{C}}}}{{2{G_{12}}{\tau _{12}}}}} \right)}^2} - 1} \right)} \right] + \\& {\left( {\frac{{{\varepsilon _{12}}}}{{{\tau _{12}}}}} \right)^2} + {\left( {\frac{{{\varepsilon _{13}}}}{{{\tau _{13}}}}} \right)^2} \geqslant 1 \end{split}$

(4)

式中：E和G分别为材料的杨氏模量和剪切模量； ${\varepsilon }_{11}$ 和 ${\varepsilon }_{22}$ 为单元材料主方向的应变分量； ${\varepsilon }_{12}$ 、 ${\varepsilon }_{13}$ 和 ${\varepsilon }_{23}$ 为单元材料主方向的剪切应变分量； ${\varepsilon }_{{{i}}{{i}}}^{\rm{T}}$ 和 ${\varepsilon }_{{{i}}{{i}}}^{\rm{C}}$ 分别为 $i$ 方向对应的拉伸和压缩强度的失效应变； ${\tau }_{{{i}}{{j}}}$ 为单元剪切强度对应的剪切失效应变。当某单元内应变分量满足上述某一条件时，即认为该单元发生损伤。失效应变与材料强度之间的关系如下：

$\begin{split} &{X_{\rm{T}}} = {E_{11}}\varepsilon _{11}^{\rm{T}},{X_{\rm{C}}} = {E_{11}}\varepsilon _{11}^{\rm{C}},{Y_{\rm{T}}} = {E_{22}}\varepsilon _{22}^{\rm{T}},\\ &{Y_{\rm{C}}} = {E_{22}}\varepsilon _{22}^{\rm{C}},{Z_{\rm{T}}} = {E_{33}}\varepsilon _{33}^{\rm{T}},{S_{12}} = {G_{12}}{\tau _{12}},\\ &{S_{13}} = {G_{13}}{\tau _{13}},{S_{23}} = {G_{23}}{\tau _{23}} \end{split}$

(5)

式中， ${X}_{\rm{T}}$ 、 $X_{\rm{C}}$ 、 $Y_{\rm{T}}$ 、 $Y_{\rm{C}}$ 、 ${S}_{{{i}}{{j}}}$ 分别为层合板轴向拉伸、轴向压缩、横向拉伸、横向压缩和各方向的剪切强度。相关材料属性如表3和表4所示。

表 3 用于数值模拟的CF/2511-1A/BS环氧树脂复合材料和GF/2511-1A/BS环氧树脂复合材料弹性参数

Table 3. Elastic parameters of CF/2511-1A/BS epoxy composites and GF/2511-1A/BS epoxy composites used in numerical simulation

Material	E₁₁/GPa	E₂₂=E₃₃/GPa	G₁₂=G₁₃/GPa	G₂₃/GPa	${\mu }_{12}$	${\mu }_{13}$	${\mu }_{23}$	${G}_{{\rm{f}}}$ /(kJ·m⁻²)	${G}_{{\rm{m}}}$ /(kJ·m⁻²)
CF/epoxy	110	8.3	4.6	3.4	0.303	0.303	0.38	80	1
GF/epoxy	40	8.4	4.3	3.2	0.315	0.315	0.39	65	1
Notes: E₁₁, E₂₂, E₃₃—Elastic modulus (direction 11, 22, 33); G₁₂, G₁₃, G₂₃—Shear modulus (direction 12, 13, 23); ${\mu }_{12}$ , ${\mu }_{13}$ , ${\mu }_{23}$ —Poisson’s ratio (direction 12, 13 and 23).

下载: 导出CSV

| 显示表格

表 4 用于数值模拟的CF/2511-1A/BS环氧树脂复合材料和GF/2511-1A/BS环氧树脂复合材料的强度参数

Table 4. Strength parameters of CF/2511-1A/BS epoxy composites and GF/2511-1A/BS epoxy composites used in numerical simulation MPa

Material	X_T	X_C	Y_T=Z_T	Y_C=Z_C	S₁₂=S₁₃	S₂₃
CF/epoxy	1600	640	48	150	80	60
GF/epoxy	860	550	48	140	65	60

下载: 导出CSV

| 显示表格

单元产生损伤后需进行材料性能退化，即刚度折减，本文引入指数形式的损伤状态变量d定义渐进损伤刚度折减方案。相比于参数型损伤变量将材料宏观属性直接折减，指数型损伤变量更接近实际情况且损伤过程连续^[21]。将Hashin准则中的失效因子( ${e}_{\rm{f}}$ 、 ${e}_{\rm{m}}$ )与损伤变量( ${d}_{\rm{f}}$ 、 ${d}_{\rm{m}}$ )相关联，具体形式如下：^[22]，

$\begin{array}{l} {d_{\rm{f}}} = 1 - \dfrac{1}{{\sqrt {{e_{\rm{f}}}} }}{{\rm{e}}^{\left( { - {E_{11}}{{\left( {\varepsilon _{11}^{{{{\rm{f}}i}}}} \right)}^2}\left( {\sqrt {{e_{\rm{f}}}} - 1} \right){L^{\rm{c}}}/{G_{\rm{f}}}} \right)}}\\ {d_{\rm{m}}} = 1 - \dfrac{1}{{\sqrt {{e_{\rm{m}}}} }}{{\rm{e}}^{\left( { - {E_{22}}{{\left( {\varepsilon _{22}^{{{{\rm{m}}i}}}} \right)}^2}\left( {\sqrt {{e_{\rm{m}}}} - 1} \right){L^{\rm{c}}}/{G_{\rm{f}}}} \right)}} \end{array}$

(6)

式中： ${G}_{\rm{f}}$ 和 ${G}_{\rm{m}}$ 分别为材料纤维纵向和横向断裂韧性； ${L}^{\rm{c}}$ 为单元特征长度，加入 ${L}^{\rm{c}}$ 可降低网格密度对结果精度的影响； $i$ 根据单元受拉或受压分别赋值为 $T$ 或 $C$ 。本文采用的刚度退化方案如下：

$\begin{split} &{C}_{11}^{{\rm{d}}}=\left(1-{d}_{\rm{f}}\right){C}_{11} \\ &{C}_{22}^{{\rm{d}}}=\left(1-{d}_{\rm{f}}\right){\left(1-{d}_{\rm{m}}\right)C}_{22} \\ &{C}_{33}^{{\rm{d}}}=\left(1-{d}_{\rm{f}}\right){\left(1-{d}_{\rm{m}}\right)C}_{33} \\ &{C}_{12}^{{\rm{d}}}=\left(1-{d}_{\rm{f}}\right){\left(1-{d}_{\rm{m}}\right)C}_{12} \\ &{C}_{23}^{{\rm{d}}}=\left(1-{d}_{\rm{f}}\right){\left(1-{d}_{\rm{m}}\right)C}_{23} \\ &{C}_{13}^{{\rm{d}}}=\left(1-{d}_{\rm{f}}\right){\left(1-{d}_{\rm{m}}\right)C}_{13} \end{split}$

(7)

采用双线性内聚力单元(Cohesive element)模拟相邻子层界面的分层损伤^[23]。采用二次应力损伤准则(Quads)定义损伤起始，损伤演化采用B-K (Benzeggaph-Kenane)准则，分别如下：

${\left(\frac{{t}_{{\rm{n}}}}{N}\right)}^{2}+{\left(\frac{{t}_{{\rm{s}}}}{S}\right)}^{2}+{\left(\frac{{t}_{\rm{t}}}{T}\right)}^{2}=1$

(8)

${G}^{\rm{C}}\geqslant {G}_{{\rm{n}}}^{\rm{C}}+\left({G}_{{\rm{S}}}^{\rm{C}}-{G}_{{\rm{n}}}^{\rm{C}}\right){\left(\frac{{G}_{{\rm{s}}}}{{G}_{\rm{T}}}\right)}^{\eta }$

(9)

式中： ${t}_{{\rm{n}}}$ 、 ${t}_{{\rm{s}}}$ 、 ${t}_{\rm{t}}$ 分别为界面法向应力和两个剪切应力；N、S、T对应界面法向和两个剪切强度； ${G}_{{\rm{n}}}^{\rm{C}}$ 和 ${G}_{{\rm{S}}}^{\rm{C}}$ 分别为法向和切向临界应变能释放率； ${G}_{{\rm{s}}}$ 和 ${G}_{{\rm{n}}}$ 分别为 ${t}_{{\rm{s}}}$ 、 ${t}_{{\rm{n}}}$ 对应的能量释放率。相关材料属性如表5所示。

表 5 CF/2511-1A/BS环氧树脂复合材料和GF/2511-1A/BS环氧树脂复合材料的层间界面参数

Table 5. Material properties of interface cohesive elements for CF/2511-1A/BS epoxy composites and GF/2511-1A/BS epoxy composites

ρ/(kg·m⁻³)	kN/(GPa·mm⁻¹)	kS=kT/(GPa·mm⁻¹)	N/MPa	S=T/MPa	$G_{\rm{n}}^{\rm{C}}$ /(J·m⁻²)	$G_{\rm{S}}^{\rm{C}}$ /(J·m⁻²)	η
1200	15	1.2	30	60	0.28	0.8	1.5

下载: 导出CSV

| 显示表格

1.3.2 层间/层内数值模拟模型

图2为层间及夹芯混杂复合材料低速冲击模型，层合板采用沙漏增强模式的减缩积分单元C3D8R，共8层，单层尺寸为150 mm×100 mm×0.75 mm，定义X轴为纤维方向，Y轴为基体方向，通过改变每层材料属性实现相应的混杂结构。界面为0厚度的COH3D8内聚力单元，共7层。夹具是内径为120 mm、宽为10 mm的圆环，冲头是直径为12.6 mm的半球形锤头，夹具和冲头定义为刚体，采用R3D4单元。细化层合板冲击区域网格，提高模拟精准度。

图 2 CF-GF层间及夹芯混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击模型

Figure 2. Low velocity impact model of CF-GF interlayer and sandwich hybrid reinforced epoxy composites

下载: 全尺寸图片幻灯片

层内混杂复合材料采用纱线尺度模型，层合板、夹具和冲头尺寸与层间模型一致，如图3(a)所示。模型假设树脂对纤维完全浸润，复合材料中纱线系统以纤维束增强树脂的复合形式存在，纤维与树脂为一整体^[24]，单根纱线横截面尺寸为5 mm×0.75 mm，如图3(b)所示，通过改变每根纤维束材料属性，实现CN-1及CN-2混杂结构，复合材料的基体部分由布尔运算得到，如图3(c)所示。采用金相显微镜观察纤维分布情况如图4(a)和图4(b)所示，测得CF体积分数为68vol%，GF体积分数为70vol%，在ABAQUS中建立四边形RUC (Representative unit cell)单元^[25]，如图4(c)所示，计算纤维束增强树脂弹性参数，相关属性如表6和表7所示。

图 3 CF-GF层内混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击模型

Figure 3. Low velocity impact model of CF-GF intralayer hybrid reinforced epoxy composite

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 CF-GF层内混杂增强环氧树脂复合材料RUC模型

Figure 4. RUC model of CF-GF intralayer hybrid reinforced epoxy composite

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 6 CF-GF层内混杂增强环氧树脂复合材料模型中CF、GF和2511-1A/BS环氧树脂的材料参数

Table 6. Material paramenters of CF, GF and 2511-1A/BS epoxy for CF-GF intralayer hybrid reinforced epoxy composite model

Material	E₁₁/GPa	E₂₂=E₃₃/GPa	G₁₂=G₁₃/GPa	G₂₃/GPa	${\mu }_{12}$	${\mu }_{13}$	${\mu }_{23}$	$\rho$ /(kg·m⁻³)
CF	234	20	9.2	7.4	0.3	0.3	0.34	1.77
GF	78.7	7	4.0	2.5	0.3	0.3	0.4	2.54
2511-1A/BS epoxy	3.1	—	—	—	0.3	—	—	1.13

下载: 导出CSV

| 显示表格

表 7 CF-GF层内混杂增强环氧树脂复合材料模型中CF和GF纤维束的力学性能

Table 7. Mechanical properties of CF and GF fiber bundle for CF-GF intralayer hybrid reinforced epoxy composite model

Material	E₁₁/GPa	E₂₂=E₃₃/GPa	G₁₂=G₁₃/GPa	G₂₃/GPa	μ₁₂	μ₁₃	μ₂₃
CF fiber bundle	153	8.70	3.60	3.20	0.3	0.3	0.36
GF fiber bundle	52	5.27	2.48	1.88	0.3	0.3	0.40

下载: 导出CSV

| 显示表格

2. 结果与讨论

2.1 CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击实验结果

极限载荷和吸收能量是表征低速冲击性能的主要数据。图5为CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料的极限载荷和吸收能量。可以发现，不同能量下CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料的极限载荷不同，CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料50 J冲击能量的极限载荷较30 J冲击能量下更高，这是由于在同样配比下，较大的冲击能量对应更快的冲击速度，撞击时的应变率效应更明显^[26]。其中，G结构抗冲击性能最弱，S-C结构吸收能量较大，I-C和CN-1结构极限载荷较高。随着能量的增加，极限载荷和吸收能量均增大，混杂结构可提高极限载荷和吸收能量。冲击面为CF时，极限载荷和吸收能量均较高。I-C结构极限载荷最高，相较于G结构提高了24%。I-G和S-G结构的极限载荷相差不大，均较小。两种层内混杂结构呈现出较高的极限载荷，相较于G结构提高了20%左右。冲击面纤维种类相同时，夹芯(S-C和S-G)结构的吸收能量大于层间混杂(I-C和I-G)结构。相同混杂结构中，冲击面为CF时吸收能量较大，S-C结构的吸收能量较C结构和G结构分别提高了10%和16%。CN-2结构的吸收能量大于CN-1结构，与面内混杂界面的分布有关系^[27]。

图 5 CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料的极限载荷和吸收能量

Figure 5. Maximum force and absorbed energy of CF-GF hybrid reinforced epoxy composites

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.2 CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击有限元结果

2.2.1 实验与数值模拟结果对比

图6为30 J能量冲击下C结构、I-C结构、S-G结构和CN-1结构的CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料时间-载荷和时间-能量曲线。可知，极限载荷模拟结果略大于实验值，能量模拟数据略低。实验曲线随时间变化趋势与模拟曲线结果拟合度较高。

图 6 30 J能量冲击下C、I-C、S-G、CN-1的CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料实验与数值模拟时间-载荷及时间-能量对比曲线

Figure 6. Comparison of experiment and simulation numerical results on time-force and time-energy curves of CF-GF hybrid reinforced epoxy composites of C, I-C, S-G, CN-1 after 30 J impact

下载: 全尺寸图片幻灯片

2.2.2 低速冲击损伤形态及破坏机制

图7为50 J能量冲击后CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料C扫描及分层失效模拟(SDEG)结果。图8为50 J能量冲击后CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料的分层损伤面积。图9为CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料目视及模拟冲击面纤维损伤结果(SDV1)。图10为CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料冲击背面基体目视损伤及数值模拟结果(SDV2)。可知，模拟结果与实验损伤形貌较一致，冲击面为CF (C、I-C、S-C)时，分层面积为菱形，纤维损伤沿Y方向，I-C结构背部基体损伤较少，S-C结构背部基体损伤区域较大且分层面积最大。冲击面为GF (G、I-G、S-G)时，分层面积接近椭圆形，纤维损伤集中于冲击点下方，冲击面损伤呈圆圈状，冲击背面表现为菱形损伤，I-G结构与S-G结构背面基体破坏形貌类似，I-G结构分层面积最小。层内混杂结构的冲击面纤维损伤形貌与C结构类似，但面内损伤传播连续性较低，CF纤维束内SDV1损伤较GF纤维束集中，且沿X轴有横向扩散，在远离冲击点处仍可观察到部分CF纤维束内SDV1失效，而相邻GF纤维束未出现破坏。SDV2损伤由冲击点正下方向四周扩散，经混杂界面后损伤程度明显降低，大多数损伤发生在CF纤维束内，说明CF纤维束对相邻的GF纤维束有保护作用。CN-1结构的纤维损伤较CN-2结构低，纤维束内基体损伤较CN-2高，混杂界面对面内损伤的抑制作用在CN-1结构中更明显。层内混杂结构的树脂损伤由冲击点向下扩展，应力分布呈菱形，底部断裂沿Y方向。30 J能量冲击后损伤形貌与其类似，不再赘述。

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 50 J能量冲击后CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料C扫描及模拟(SDEG)分层损伤

Figure 7. C-scan and simulation (SDEG) of delamination damage of CF-GF hybrid reinforced epoxy composites after 50 J impact

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 50 J能量冲击后CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料的分层损伤面积

Figure 8. Delamination damage area of CF-GF hybrid reinforced epoxy composites after 50 J impact

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 50 J能量冲击后CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料表面纤维目视及模拟(SDV1)破坏形貌

Figure 9. Visual and simulation (SDV1) of surface fiber damage of CF-GF hybrid reinforced epoxy composites after 50 J impact

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 50 J能量冲击后CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料表面基体目视及模拟(SDV2)破坏形貌

Figure 10. Visual and simulation (SDV2) of surface matrix damage of CF-GF hybrid reinforced epoxy composites after 50 J impact

下载: 全尺寸图片幻灯片

前期已对30 J能量冲击下C结构、G结构、I-C结构和S-C结构的CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料内部损伤进行了分析^[28]。图11为30 J能量冲击后I-G、S-G、CN-1、CN-2的CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料Micro-CT扫描横截面损伤。可知，冲击方向沿Z轴向下，白色区域为GF层，黑色区域为CF层。I-G结构和S-G结构冲击区域形变不明显，这是由于GF韧性大，变形恢复性好。I-G结构冲击点附近及内部GF层出现纤维断裂损伤，CF层未观察到破坏。S-G结构上部及内部界面有分层损伤，冲击面GF纵向脆断明显，内部CF层损伤较少。CN-1结构中纤维损伤由冲击点向下传播，底部有少量分层。CN-2结构中冲击面GF受剪切力，损伤范围广，复合材料底部观察到分层损伤。

图 11 30 J能量冲击后I-G、S-G、CN-1、CN-2的CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料Micro-CT扫描横截面损伤

Figure 11. Micro-CT results of cross-section damage of CF-GF hybrid reinforced epoxy composites of I-G, S-G, CN-1, CN-2 after 30 J impact

下载: 全尺寸图片幻灯片

图12为不同时刻I-C和CN-1的CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料纤维损伤(SDV1)情况。图13为不同时刻I-C和CN-1的CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料基体损伤(SDV2)情况。可知，I-C结构显示横截面损伤，CN-1结构显示冲击面纤维损伤及冲击背面基体损伤。纤维损伤程度小于基体损伤，基体损伤首先出现在冲击点周围及复合材料背部，冲头达到最低位置时，底部界面有明显分层破坏。I-C结构的失效过程与CN-1结构有区别，I-C结构中纤维损伤主要集中在冲击面CF层及内部GF层，CN-1结构中CF束首先出现破坏，损伤方向沿Y轴，大多数损伤被限制在混杂界面之间。随着冲头下移，纤维损伤沿X轴增加，且GF纤维束内开始出现纤维破坏，CF纤维束中基体破坏呈三角形，沿X轴损伤严重，GF纤维束内损伤较少，部分CF纤维束在远离冲击点区域仍有损伤，而临近的GF纤维束内基体损伤较少。

图 12 不同时刻I-C和CN-1的CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料纤维损伤(SDV1)情况

Figure 12. Fiber damage (SDV1) condition of CF-GF hybrid reinforced epoxy composites of I-C and CN-1 at different time

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 不同时刻I-C和CN-1的CF-GF混杂增强环氧树脂复合材料基体损伤(SDV2)情况

Figure 13. Matrix damage (SDV2) condition of CF-GF hybrid reinforced epoxy composites of I-C and CN-1 at different time

下载: 全尺寸图片幻灯片

3. 结论

(1)相同混杂比条件下，碳纤维-玻璃纤维层间混杂增强环氧树脂复合材料抗冲击性能较好，I-C结构极限载荷较大，S-C结构吸收能量较多。I-G结构和S-G结构对冲击响应区别不明显，抗冲击性能差别不大。CN-1结构比CN-2结构具有更高的极限载荷，CN-2结构的损伤容限较高。

(2)混杂结构可有效降低冲击损伤，I-C结构和CN-1结构内部的纤维及基体损伤程度较其他混杂结构低，夹芯(S-C、S-G)结构表现出明显的分层损伤，其中S-C结构和CN-2结构分层损伤面积较大。CN-1结构的冲击面纤维损伤较CN-2结构轻，冲击背面基体损伤较CN-2结构严重。

(3)层间混杂结构抗冲击性能受混杂界面数量影响，其中玻璃纤维层形变恢复性高而损伤较大，碳纤维层形变量小且损伤较低。层内混杂结构面内损伤具有取向性，面内混杂界面对抑制损伤传播具有积极作用，损伤扩展连续性较层间混杂结构低，应力在碳纤维束内传播速度快且广，碳纤维束承担了大部分冲击损伤，临近玻璃纤维束内损伤较小。

图 1 溶液吹纺聚丙烯腈(PAN)纳米纤维(a)和雾喷氮化硼纳米片(BNNSs)/PAN分级结构膜(b)的示意图

Figure 1. Schematic illustration of solution blow spinning polyacrylonitrile (PAN) nanofibers (a) and fog spraying boron nitride nanosheets (BNNSs)/PAN hierarchical structural membrane (b)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 过滤检测装置 (a) 和压降检测装置 (b) 的示意图

Figure 2. Schematic illustration of filtration detection device (a) and pressure drop detection device (b)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 BNNSs (a)、PAN (b)、1-BNNSs/PAN (c)、2-BNNSs/PAN (d)、3-BNNSs/PAN (e)、4-BNNSs/PAN (f)、5-BNNSs/PAN (g) 和6-BNNSs/PAN (h)分级结构膜的SEM图像

Figure 3. SEM images of the BNNSs (a), PAN (b), 1-BNNSs/PAN (c), 2-BNNSs/PAN (d), 3-BNNSs/PAN (e), 4-BNNSs/PAN (f), 5-BNNSs/PAN (g) and 6-BNNSs/PAN (h) hierarchical structural membrane

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 PAN、BNNSs和4-BNNSs/PAN分级结构膜的FTIR图谱 (a) 和XRD图谱 (b)；(c) PAN和4-BNNSs/PAN的TG曲线

Figure 4. FTIR spectra (a) and XRD patterns (b) of the PAN, BNNSs and 4-BNNSs/PAN hierarchically structural membrane; (c) TG curves of the PAN and 4-BNNSs/PAN hierarchically structural membrane

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 PAN、1-BNNSs/PAN、2-BNNSs/PAN、3-BNNSs/PAN、4-BNNSs/PAN、5-BNNSs/PAN、6-BNNSs/PAN的PM2.5过滤效率 (a)、压降 (b) 和品质因子 (c)

Figure 5. Filtration efficiency of PM2.5 (a), pressure drop (b) and quality factor (c) of PAN, 1-BNNSs/PAN, 2-BNNSs/PAN, 3-BNNSs/PAN, 4-BNNSs/PAN, 5-BNNSs/PAN, 6-BNNSs/PAN

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 不同过滤时长后的4-BNNSs/PAN分级结构膜的迎风面照片

Figure 6. Photographs of windward surface of 4-BNNSs/PAN hierarchically structured membranes after different filtration time

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 不同过滤时间后4-BNNSs/PAN分级结构膜的SEM图像：(a) 0 min；(b) 10 min；(c) 20 min；(d) 30 min；(e) 40 min

Figure 7. SEM images of 4-BNNSs/PAN hierarchically structured membranes after different filtration time: (a) 0 min; (b) 10 min; (c) 20 min; (d) 30 min; (e) 40 min

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 BNNSs/PAN分级结构膜的命名

Table 1 Naming of BNNSs/PAN hierarchical structural membrane

Sample	Concentration of BNNSs/(mg·mL⁻¹)
1-BNNSs/PAN	1
2-BNNSs/PAN	2
3-BNNSs/PAN	3
4-BNNSs/PAN	4
5-BNNSs/PAN	5
6-BNNSs/PAN	6

下载: 导出CSV

参考文献(30)

[1]	郭庆宾, 汪涌. 空气污染对城市化进程的反馈效应[J]. 中国人口•资源与环境, 2021, 31(8):62-69. GUO Qingbin, WANG Yong. Feedback effect of air pollution onthe process of urbanization[J]. China Population, Resources and Environment,2021,31(8):62-69(in Chinese).
[2]	李喜妍, 蔺雪芹, 王岱. 中国城市空气质量的时空演化特征及影响因素[J]. 西安理工大学学报, 2022, 38(4):487-499. LI Xiyan, LIN Xueqin, WANG Dai. Spatiotemporal evolution characteristics and influencing factors of urban air quality in China[J]. Journal of Xi'an University of Technology,2022,38(4):487-499(in Chinese).
[3]	王班班, 廖晓洁, 谭秀杰. 城市化对雾霾暴露的贡献−基于对中国城市群的时空分解[J]. 中国人口•资源与环境, 2021, 31(7):63-74. WANG Banban, LIAO Xiaojie, TAN Xiujie. Urbanization and its contribution to haze exposure: A spatial-temporal decomposition of Chinese urban agglomerations[J]. China Population, Resources and Environment,2021,31(7):63-74(in Chinese).
[4]	NEL A. Air pollution-related illness: Effects of particles[J]. Science,2005,308(5723):804-806. DOI: 10.1126/science.1108752
[5]	赵兰慧, 黎倩欣, 袁晓霞, 等. 2017—2019年广州市PM2.5空气污染所致肺癌疾病负担研究[J]. 现代预防医学, 2021, 48(20):3683-3688. ZHAO Lanhui, LI Qianxin, YUAN Xiaoxia, et al. Study on burden of lung cancer caused by PM2.5 air pollution in Guangzhou from 2017 to 2019[J]. Modern Preventive Medicine,2021,48(20):3683-3688(in Chinese).
[6]	CHEN Y F, ZHANG S H, CAO S J, et al. Roll-to-roll production of metal-organic framework coatings for particulate matter removal[J]. Advanced Materials,2017,29(15):1606221. DOI: 10.1002/adma.201606221
[7]	JUNG W, LEE J S, HAN S, et al. An efficient reduced graphene-oxide filter for PM₂_.5 removal[J]. Journal of Materials Chemistry A,2018,6(35):16975-16982. DOI: 10.1039/C8TA04587A
[8]	MAO J J, TANG Y X, WANG Y D, et al. Particulate matter capturing via naturally dried ZIF-8/graphene aerogels under harsh conditions[J]. iScience,2019,16:133-144. DOI: 10.1016/j.isci.2019.05.024
[9]	MAO X E, BAI Y, YU J Y, et al. Flexible and highly tempera-ture resistant polynanocrystalline zirconia nanofibrous membranes designed for air filtration[J]. Journal of the American Ceramic Society,2016,99(8):2760-2768. DOI: 10.1111/jace.14278
[10]	WANG S X, YAP C C, HE J T, et al. Electrospinning: A facile technique for fabricating functional nanofibers for environmental applications[J]. Nanotechnology Reviews,2016,5(1):51-73.
[11]	ZHAO X L, WANG S, YIN X, et al. Slip-effect functional air filter for eEfficient purification of PM2.5[J]. Scientific Reports,2016,6(1):1-11. DOI: 10.1038/s41598-016-0001-8
[12]	QIN X H, WANG S Y. Filtration properties of electrospinning nanofibers[J]. Journal of Applied Polymer Science,2006,102(2):1285-1290. DOI: 10.1002/app.24361
[13]	BAI H, QIAN X M, FAN J T, et al. Theoretical model of single fiber efficiency and the effect of microstructure on fibrous filtration performance: A review[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research,2021,60(1):3-36.
[14]	TAN N P B, PACLIJAN S S, ALI H N M, et al. Solution blow spinning (SBS) nanofibers for composite air filter masks[J]. ACS Applied Nano Materials,2019,2(4):2475-2483. DOI: 10.1021/acsanm.9b00207
[15]	AL-ATTABI R, MORSI Y, KUJAWSKI W, et al. Wrinkled silica doped electrospun nano-fiber membranes with engineered roughness for advanced aerosol air filtration[J]. Separation and Purification Technology,2019,215:500-507. DOI: 10.1016/j.seppur.2019.01.049
[16]	WANG Z, PAN Z J, WANG J G, et al. A novel hierarchical structured poly(lactic acid)/titania fibrous membrane with excellent antibacterial activity and air filtration performance[J]. Journal of Nanomaterials,2016,2016:6272983.
[17]	ZHONG L G, WANG T, LIU L Y, et al. Ultra-fine SiO₂ nanofilament-based PMIA: A double network membrane for efficient filtration of PM particles[J]. Separation and Purification Technology,2018,202:357-364. DOI: 10.1016/j.seppur.2018.03.053
[18]	WAN H G, WANG N, YANG J M, et al. Hierarchically structured polysulfone/titania fibrous membranes with enhanced air filtration performance[J]. Journal of Colloid and Interface Science,2014,417:18-26. DOI: 10.1016/j.jcis.2013.11.009
[19]	WANG N, SI Y S, WANG N, et al. Multilevel structured polyacrylonitrile/silica nanofibrous membranes for high-performance air filtration[J]. Separation and Purification Technology,2014,126:44-51. DOI: 10.1016/j.seppur.2014.02.017
[20]	SU J F, YANG G H, CHENG C L, et al. Hierarchically structured TiO₂/PAN nanofibrous membranes for high-efficiency air filtration and toluene degradation[J]. Journal of Colloid and Interface Science,2017,507:386-396. DOI: 10.1016/j.jcis.2017.07.104
[21]	RASUL M G, KIZILTAS A, ARFAEI B, et al. 2D boron nitride nanosheets for polymer composite materials[J]. NPJ 2D Materials and Applications,2021,5(1):56. DOI: 10.1038/s41699-021-00231-2
[22]	SCHNEIDER R, FACURE M H M, ALVARENGA A D, et al. Dye adsorption capacity of MoS₂nanoflakes immobilized on poly(lactic acid) fibrous membranes[J]. ACS Applied Nano Materials,2021,4(5):4881-4894. DOI: 10.1021/acsanm.1c00442
[23]	WANG A N, FAN R Q, ZHOU X S, et al. Hot-pressing method to prepare imidazole-based Zn(II) metal-organic complexes coatings for highly efficient air filtration[J]. ACS Applied Materials & Interfaces,2018,10(11):9744-9755. DOI: 10.1021/acsami.8b01287
[24]	ZHANG Y Y, YUAN S, FENG X, et al. Preparation of nanofibrous metal-organic framework filters for efficient air pollution control[J]. Journal of the American Chemical Society,2016,138(18):5785-5788. DOI: 10.1021/jacs.6b02553
[25]	KADAM V, KYRATZIS I L, TRUONG Y B, et al. Electrospun bilayer nanomembrane with hierarchical placement of bead-on-string and fibers for low resistance respiratory air filtration[J]. Separation and Purification Technology,2019,224:247-254. DOI: 10.1016/j.seppur.2019.05.033
[26]	陈肖寒, 郭利闯, 黄翔宇, 等. 大丝束PAN纤维热反应特性及其在连续预氧化过程中的结构性能演变[J]. 复合材料学报, 2023, 40(1):151-159. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220225.001 CHEN Xiaohan, GUO Lichuang, HUANG Xiangyu, et al. Thermal reaction properties of large filament PAN fibers and their structural properties evolution during continuous pre-oxidation[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2023,40(1):151-159(in Chinese). DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20220225.001
[27]	MA L L, WANG B X, ZHAO S Y, et al. The fabrication and electrical properties of polyimide/boron nitride nanosheets composite films[J]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics,2019,30(22):20302-20310. DOI: 10.1007/s10854-019-02417-3
[28]	PATEL S, HOTA G. Iron oxide nanoparticle-immobilized PAN nanofibers: Synthesis and adsorption studies[J]. RSC Advances,2016,6(19):15402-15414. DOI: 10.1039/C5RA20345G
[29]	曹延娟, 辛斌杰, 张杰, 等. 天然纤维素/聚丙烯腈抗菌纳米纤维的制备与表征[J]. 复合材料学报, 2015, 32(4):1042-1052. CAO Yanjuan, XIN Binjie, ZHANG Jie, et al. Preparation and characterization of natural cellulose/polyacrylonitrile antibacterial nanofibers[J]. Acta Materiae Compositae Sinica,2015,32(4):1042-1052(in Chinese).
[30]	HE L, LEI W W, LIU D. One-step facile fabrication of mechanical strong porous boron nitride nanosheets-polymer electrospun nanofibrous membranes for repeatable emulsified oil/water separation[J]. Separation and Purification Technology,2021,264:118446. DOI: 10.1016/j.seppur.2021.118446

施引文献

资源附件(0)

长摘要

目的
随着工业化和城市化的快速发展，空气污染问题日益加剧，尤其是PM2.5，极易进入人的肺部，严重危害人类的健康，因此，急需开发高效空气过滤器。利用SBS和雾喷技术，将高比表面积的BNNSs雾喷至PAN纳米纤维的表面，构建分级结构来提升纳米纤维的有效比表面积，从而提升纳米纤维对PM污染物的拦截率，提升过滤的效率。
方法
利用SBS和雾喷技术来制备BNNSs/PAN分级结构复合膜。首先，利用SBS设备制备膜厚一致的PAN纳米纤维；然后，将不同质量比的BNNSs/酒精分散液进行搅拌和超声处理；接着，利用SBS设备将不同质量比的BNNSs/酒精分散液雾喷至PAN纳米纤维，制备成BNNSs/PAN分级结构复合膜；最后，对复合膜进行SEM、FTIR、XRD、TG的表征并利用自制的过滤装置对BNNSs/PAN复合膜的过滤性能进行测试。
结果
从对BNNSs/PAN分级结构复合膜的SEM、FTIR、XRD、TG的表征结果以及过滤性能测试的结果可以得出以下
结果
(1) 从复合膜的SEM结果看出，二维的BNNSs杂乱无章的负载在PAN纳米纤维的表面，纤维表面的粗糙度和比表面积得到提升，并且随着雾喷BNNSs浓度的提升，其粗糙度和比表面积的提升会更加的明显；(2) 从FTIR和XRD结果看出，BNNSs/PAN复合膜除了PAN和BNNSs的特征峰外并未出现新的峰，这表明两者之间没有新的物质生成，只是简单地物理结合；(3) 从TG结果看出，复合膜的失重速率要慢于PAN膜，且最后的失重率比PAN膜低，BNNSs的引入有效地提升了复合膜的热稳定性；(4) 从过滤性能测试结果看出，随着雾喷BNNSs浓度的提升，复合膜的过滤效率逐步提升，其中，BNNSs雾喷浓度为4 mg/mL的品质因子(QF)最高，综合过滤表现最佳；(5) 从复合膜不同过滤时长后的SEM结果看出，随着过滤时长的增加，污染物颗粒被有效地吸附在纤维和BNNSs的表面，BNNSs在整个的过滤过程中附载着大量污染物颗粒，对过滤效果的提升起到了关键的作用。
结论
(1) 通过溶液吹纺和雾喷的结合，BNNSs成功的附着在PAN纳米纤维膜的表面，构建出分级结构的纳米纤维膜，分级结构膜的结构可以通过雾喷BNNSs的浓度来进一步的调节。(2) 在本研究中的几个BNNSs雾喷浓度中，4 mg/mL的雾喷浓度表现最佳，该雾喷浓度下的分级结构膜的过滤效率为95.13%，压降为34 Pa，在相同的纺丝时长下，相较于单一的PAN膜，过滤效率提高了9.46%，压降仅仅提高了13 Pa，而QF值只比PAN膜低0.0036 Pa，其综合过滤表现更佳。(3) 在整个过滤中，BNNSs的引入对过滤效果的提升发挥了重要的作用。一方面，提升纳米纤维的有效比表面积，能够有效地拦截污染物颗粒，另一方面，BNNSs能够对有机污染物进行吸附，进一步地提升过滤的效率。

创新点

空气污染问题日益严重，急需开发高效的过滤器。而纳米纤维凭借较高的比表面积和体积比能够实现较高的过滤效率和较低的过滤压降，通过引入本身就具有高比表面积的纳米片材料对纳米纤维的表面进行修饰或改性能够进一步提升其有效比表面积，从而进一步地提升过滤效果。
本文通过溶液吹纺(SBS)技术制备聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜，并再次利用SBS设备雾喷高横纵比的氮化硼纳米片(BNNSs)分散液于纳米纤维膜的表面，制备了具有分级结构的BNNSs/PAN纳米纤维复合膜并用于空气过滤。在相同纺丝时长下(膜厚一致)，4-BNNSs/PAN复合膜对PM2.5颗粒物实际过滤效果相较于PAN膜提升9.46%，而过滤的压降只提高了13 Pa，4-BNNSs/PAN复合膜整体过滤表现要优于PAN膜。因此，通过雾喷高横纵比的BNNSs来构建分级结构的复合膜是开发新型空气过滤器的实用改性技术。
BNNSs(a)、PAN(b)、1-BNNSs/PAN(c)、2-BNNSs/PAN(d)、3-BNNSs/PAN(e)、4-BNNSs/PAN(f)、5-BNNSs/PAN(g)和6-BNNSs/PAN(h)分级结构膜的SEM图