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Polymer/MOF-derived multilayer fibrous membranes for moisture-wicking and efficient capturing both fine and ultrafine airborne particles

材料科学 聚丙烯腈 复合材料 纤维 静电纺丝 超细纤维 表面粗糙度 水分 化学工程 聚合物 聚苯乙烯 纳米纤维 过滤(数学) 化学 工程类 统计 生物化学 数学
作者
Zhe Wang,Youfang Zhang,Xiu Yun Daphne,Jiaming Ang,Zhihui Zeng,Bing Feng Ng,Man Pun Wan,Shing‐Chung Wong,Xuehong Lu
出处
期刊:Separation and Purification Technology [Elsevier BV]
卷期号:235: 116183-116183 被引量:85
标识
DOI:10.1016/j.seppur.2019.116183
摘要

Particulate matter (PM)-induced air pollution has become a serious threat to public health in many regions. There is, therefore, a need for development of advanced respirator materials that can efficiently capture PM and also exhibit both low breathing resistance and good moisture wicking properties to ensure physiological comfort of the wearers. Herein, we report a new type of multilayer membranes that exhibit excellent filtration efficiencies for PM of various sizes, low air resistance and good directional moisture transport properties. We incorporated a type of metal-organic framework, ZIF-8, into polyacrylonitrile (PAN) to prepare microfibers with high surface roughness, and alternatingly stacked layers of rough microfibers with layers of PAN nanofibers via electrospinning, resulting in multi-level structured membranes. Moreover, subsequent acid and base treatments could not only tailor the hydrophilicity of fiber surfaces, but also induce multiscale surface roughness, facilitating both moisture wicking and PM adsorption. This allowed us to construct a unique multilayer membrane composed of a super-hydrophilic outer layer made of PAN fibers with multiscale surface roughness, a hydrophilic composite intermediate layer consisting of porous PAN-ZIF-8 microfibers and PAN nanofibers, and a hydrophobic polystyrene fibrous inner layer, which could offer excellent directional moisture transport performance and a high water vapor transmission rate of 10.56 kg m−2 d−1 due to strong capillary force and push-pull effect. More importantly, benefiting from the large specific surface area, rough fiber surface, and hierarchical pore structure, the membrane exhibits high removal efficiencies of 99.973% for 0.3-μm particles and ≧99.99% for particles of other sizes, including the more harmful ultrafine particles, at a low pressure drop of 80.1 Pa. Moreover, the multilayer composite filter still maintains a high removal efficiency of 99.951% after continuous air purification for 48 h in a high PM2.5 concentration (>300 μg m−3) environment. These make such membranes promising high-performance filtration media for respirator applications.
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