靜電除塵是治理工業粉塵最常用技術，其關鍵是在相同收塵面積的情況下如何提高除塵效率，電暈放電能否產生高密度等離子體是影響收塵效率的主要問題。針對于此，本課題通過對不同放電結構研究電暈層等離子體參數（厚度、溫度、發光強度、特征譜線等），建立電暈層等離子體參數和除塵效率之間的關系。通過霧化水電極電暈放電對微細粉塵的除塵效率進行實驗研究。本研究拓展了靜電除塵器除塵機理研究的方法，同時對拓展靜電除塵器的設計思路，提高收塵效率，進一步促進大氣污染治理也有著積極的現實意義。 結合該項目的研究共培養碩士研究生20人，在國際學術期刊、國際會議及國內核心期刊上已發表論文21篇，其中SCI收錄9篇，EI收錄4篇，獲發明專利1項，成果已進行應用收到了較好的經濟和社會效益。 2100433B

靜電除塵是當前脫除大氣顆粒物的最常用技術，其關鍵是在相同收塵面積的情況下如何提高除塵效率，不同的電極結構和電壓參數電暈放電會產生不同的效果，電暈放電能否產生高密度等離子體是影響收塵效率的主要問題。針對于此，本課題擬利用光學方法，對靜電除塵器中電暈放電產生的等離子體強度和除塵效率關系進行研究。具體工作包括：除塵空間電流的空間分辨研究、電暈層厚度研究、電暈層發光強度研究、電暈層特征譜線強度研究。以期尋找靜電除塵器的最佳參數，用于指導靜電除塵器的研制。本研究將拓展靜電除塵器除塵機理研究的方法。同時將優化靜電除塵器的設計方案，提高除塵器性價比，對進一步促進大氣污染治理也有著積極的現實意義。

如何僅僅根據組份材料的原始性能預報受任意載荷作用的復合材料強度是一個世界性難題。雖然申請者創建的橋聯理論可準確計算纖維和基體中的內應力，但復合材料極限承載能力的確定還取決于基體的現場強度。實驗發現單向復合材料橫向強度遠低于基體的原始強度，表明添加纖維后導致基體現場強度大幅降低。本項目將研究確定在基體中添加纖維后引起的（橫向）應力集中系數，基體的現場強度則由其原始強度除以該應力集中系數后得到。通過對不同成型工藝所制復合材料試樣的實驗研究，揭示基體現場強度與成型工藝的關系并完善應力集中系數的定義；研究纖維和基體之間一些典型非理想界面對基體現場強度的影響；在目前僅限于纖維和基體兩相材料的橋聯模型基礎上，發展出應用于三相（纖維-界面-基體）復合材料分析的更一般理論，為實現由原始纖維和基體性能及復合材料幾何參數計算復合材料極限承載能力的目標做出貢獻。

耐電暈復合材料是在傳統的絕緣聚合物中加入一定量耐電暈性能優異的無機納米材料 , 如 Al 2O 3 、TiO 2 、云母或層狀硅酸鹽等制備而成 。納米材料由于尺寸在某個方向上減小所導致的高比表面積和高表面能 , 使其在粘度較大的聚合物中不易分散 , 這成為耐電暈材料所面臨的技術難題 。如何將納米材料均勻分散到聚合物中 , 并保持相當的穩定性成為制備耐電暈材料的關鍵技術 。綜合國內外納米復合材料的制備方法主要有 4 種 。

共混法

共混法即納米粒子直接分散法 。該方法是首先合成出各種形態的納米粒子 , 再通過各種方式將其與有機聚合物混合 。共混法的優點是 , 納米粒子與材料的合成分步進行 ,可控制納米粒子的形態 、尺寸 , 易于實現工業化 , 因而引起了國內外的強烈關注 。缺點是納米粒子的比表面積和表面能大 , 粒子之間存在較強的相互作用 ,易產生團聚 ,失去納米粒子的特殊性質 。而聚合物本身粘度又較高 , 納米粒子與聚合物很難達到理想的納米尺度復合 。通常認為 , 粒子間相互作用的總勢能等于排斥勢能與引力勢能的綜合作用 。對納米粒子進行表面改性 , 適當減小納米粒子的引力勢能或增大排斥勢能 , 有助于減弱它的團聚趨勢 , 有利于它在聚合物中的分散 。常利用粒子的靜電效應和空間位阻效應 , 采用表面活性劑 、偶聯劑 、表面覆蓋 、機械化學處理和接枝等方法對納米粒子進行處理 , 以提高納米粒子在基質材料中的分散性 、相容性和穩定性 。此外 , 常采用加強攪拌混合 , 如超聲波和高速攪拌等方式來提高納米粒子在基質材料中的分散效果 , 上述措施也用于其它的復合方法 。據杜邦公司的最新專利介紹 , Kapton C R 薄膜就是先將氣相氧化鋁和 N ,N -二甲基乙酰胺制成穩定的懸浮體 , 然后再與聚酰胺酸溶液混合 , 經熱亞胺化制得 。Phelps Dodge 公司則采用高速攪拌的方法將納米粒子直接分散到聚酯等耐高溫漆包線漆中 , 得到耐電暈材料 。

溶膠 -凝膠法

溶膠 -凝膠法是最早用于制備納米材料的方法 。所謂溶膠凝膠過程是將硅氧烷或金屬鹽等前驅體 ( 水溶性或油溶性醇鹽)溶于水或有機溶劑中形成均質溶液 , 在酸 、堿或鹽的催化作用下促使溶質水解 ,生成納米級粒子并形成溶膠 , 溶膠經溶劑揮發或加熱等過程而轉變為凝膠 , 從而得到納米復合材料 。溶膠-凝膠工 藝的 基本過 程是 液體 金屬 烷氧 化物M ( O R) 4 ( M 為 Si 、Ti 等元素 , R 為 CH 3 、C 2H 5 等烷基)與醇和水混合 , 在催化劑作用下發生如下水解 -縮合反應 。

水解反應 :Si( OC 2H 5 ) 4 4H 2O — ※Si( OH) 4 4C 2H 5OH

縮合反應 :Si( OH) 4 Si( OH) 4 ※ ( HO ) 3Si_O_Si( OH) 3 H 2O

當另外的 ≡Si_OH 四配位體互相鏈接 , 則發生如下縮聚反應 ,并最終形成三維的 SiO 2 凝膠網絡 。

( OH) 3 Si_O_Si( OH) 3 6Si( OH) 4 — ※ ( ( HO ) 3Si_O ) 3

Si_O_Si( O_Si( OH) 3) 3 6H 2O

Sol_gel 法的特點是在溫和的條件下進行 , 兩相分散均勻 , 通過控制前驅物的水解 -縮合來調節溶膠凝膠化過程 , 從而在反應早期就可以控制材料的表面與界面 , 有利于實現納米甚至分子尺度上的復合 。雷清泉等采用該法對納米 SiO 2 /聚酰亞胺體系的耐電暈性能進行了詳細的研究 。杜邦公司也有關于向塞克改性聚酯亞胺漆中加入硅 、鈦復合氧化物的專利報道。該法目前存在的最大問題在于凝膠干燥過程中 , 由于溶劑 、小分子 、水的揮發可能導致材料內部產生收縮應力 , 影響材料的力學和機械性能 。其次是溶膠 -凝膠制備過程中 , 因為需要加入一定量的水和催化劑 ,所以對聚合物的性能有顯著影響 。此外 , 該方法無法實現對無機顆粒晶型的控制 。 盡管如此 ,Sol_g el 法仍是目前應用最多 , 也是較完善的方法之一 。

插層法

插層復合是制備高性能復合材料的有效手段之一 , 它是將聚合物或單體插層于層狀結構的無機物填料中, 使片層間距擴大 , 在隨后的聚合加工過程中可剝離成納米片層均勻地分散于聚合物基體中而得到納米復合材料 。目前研究較多并具有實際應用前景的層狀硅酸鹽的基本結構單元是由兩片硅氧四面體夾一片鋁氧八面體 , 它們之間靠共用氧原子而形成的層狀結構 。

插層復合利用了層狀無機材料層間含有可置換陽離子的特點 , 首先通過有機化處理將有機陽離子引入到層間 , 使粘土由親水性變為親油性 , 然后利用有機粘土與聚合物或有機單體的相互作用 , 使聚合物或單體插入到無機材料的層間 , 實現有機分子與無機物的納米復合 。日本早稻田大學 Kozako M采用該法制備了聚酰胺與層狀硅酸鹽的復合材料 , 大幅度提高了聚合物基體的耐電暈性能 , 并提出了耐電暈的機理模型 。對云母等具有高耐電暈性能的層狀無機材料 ,如果實現對其插層 , 將進一步提高聚合物的耐電暈性能 , 但國內外在這方面的報道很少 。

原位聚合法

原位聚合法又稱為在位分散聚合法 , 該方法是將納米粒子在單體或溶劑中均勻分散 , 然后在一定條件下使高分子單體就地聚合 , 形成復合材料 。由于聚合物單體分子較小 , 粘度低 , 表面有效改性后無機納米粒子容易均勻分散 , 用這一方法制備的復合材料的填充粒子分散均勻 , 粒子的納米特性完好無損 , 同時在位填充過程中之經過一次聚合成形 , 不需要熱加工 ,避免了由此產生的降解 , 從而保持了基體各種性能的穩定 。由于漆包線涂層所用的高分子一般為有機溶劑漆 , 納米粒子在粘度較小的溶劑中易于分散均勻 , 聚合物在溶液中形成以后 , 就會包覆于納米粒子周圍 ,形成空間位阻效應 , 從而保持了納米粒子在聚合物溶液中的穩定性 。