静电纺PA 6纳米纤维膜的过滤性能*

尹桂波

(南通纺织职业技术学院，南通，226007)

静电纺PA 6纳米纤维膜的过滤性能*

尹桂波

(南通纺织职业技术学院，南通，226007)

用98%甲酸溶解聚酰胺6(PA 6)制备质量浓度为13%纺丝液，经静电纺丝获得厚度31～60 μm、纤维平均直径217 nm、表面平均孔径为234 nm的纳米纤维非织造膜。由于该纤维膜的断裂强度仅为8.06 MPa，实验以普通聚酯纤维织物为支撑基布，测试了不同样品的过滤性能。结果发现:在气流速度为2.83 L/min时，普通聚酯纤维基布对1 μm微粒的过滤效率仅为9.92%，对0.5和0.3 μm微粒无过滤作用;而在基布上覆盖一层面密度为1.25 g/m2的PA 6纤维膜后，对1、0.5和0.3 μm微粒的过滤效率分别为92.16%、89.66%和87.38%;当覆盖的PA 6纤维膜面密度达到2.5 g/m2时，相应的过滤效率分别增加到97.03%、96.23%和95.65%，但透气量增加不大。实验结果表明，聚酯纤维基布与静电纺PA 6纤维膜复合材料具有良好的过滤性能，显示出在高效、精密过滤材料中的应用潜力。

静电纺丝，纳米纤维，PA 6，力学性能，过滤性能

近年来，高效低阻过滤材料在试管婴儿100级洁净度的空气过滤、流感防护、血液透析等领域的要求和需求日益提升［1］。静电纺丝能获得纳米级纤维并能实现连续生产，由该技术形成的纤维膜孔径小、比表面积大，可制成驻极体材料并具有高透气性，因而特别适用于过滤材料。静电纺纳米纤维膜在组织工程支架、传感器感知膜、防护性服用材料、导电及增强材料等领域的应用研究也已广泛开展，但只有在过滤材料方面的应用研究稍微成熟［2］。

Yun 等人［3］以 N，N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂溶解聚丙烯腈(PAN)进行静电纺丝，形成纤维平均直径为270～400 nm的非织造膜，发现该膜对粒径小于80 nm的分散NaCl微粒具有与工业化生产的聚烯烃及玻璃纤维过滤材料相同的过滤效能。Gopal等人［4］则将聚偏二氟乙烯(PVDF)溶解在体积比为1∶1的N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)/丙酮共混溶剂中，经静电纺丝形成非织造膜，发现可以去除水中90%的粒径为1、5和10 μm的聚苯乙烯(PS)微粒，研究者认为该项研究为静电纺纳米纤维的应用开辟了新的途径。随后，Copal等人［5］利用聚砜，通过静电纺丝形成泡点孔径为4.6 μm的纤维膜，发现对液体中粒径为10、8和7 μm的颗粒去除率达99%以上，该纤维膜可用作超效膜或纳滤膜的预滤膜。Shin［6］用回收的发泡聚苯乙烯(EPS)静电纺丝形成亚微米级纤维膜，利用该纤维膜与玻璃纤维复合，用于油水中直径小于100 μm水滴的聚结过滤，分离效率由61%提高到91%。我国康为民等人［7］通过静电纺丝制备了直径在80～500 nm的聚己二酸己二醇酯纳米级纤维，由该纤维组成的膜与驻极体熔喷非织造布复合，发现该复合材料对粒径为0.3 μm粉尘的过滤效率高达99.9%。

聚酰胺6(PA 6)具有良好的化学稳定性和耐热性，易溶于甲酸，静电纺丝时成纤性好，这为静电纺PA 6纳米纤维的应用打下了基础。Heikkila等人［8］全面研究了静电纺丝工艺参数对PA 6纤维形态的影响。夏艳杰等人［9］对静电纺PA 6纳米纤维的性能也进行了较深入的研究。Aussawasathien等人［10］将静电纺PA 6纳米纤维膜(纤维直径30～110 nm)用作水预过滤膜，发现能够完全清除粒径为1 ～10 μm 的微粒，对粒径为 0.5 μm 微粒的过滤效率达到90%，用该膜可提高超滤膜或纳滤膜的过滤效率，延长使用寿命。任峰等人［11］利用静电纺PA 6纤维膜制备夹心式纳米超净化材料，发现其对酵母菌的过滤效率达到99.976%。本项目利用甲酸溶解PA 6，进行静电纺丝，研究了静电纺PA 6纤维膜的形态结构、力学性能及其对空气中粒径为0.3、0.5和1 μm 微粒的过滤性能。

1 实验部分

1.1 静电纺丝

以98%甲酸溶液(上海化学试剂有限公司，分析纯)为溶剂，在室温下用磁力搅拌器搅拌，将PA 6颗粒(Sigma Aldrich Inc.)完全溶解，形成PA 6质量浓度为13%的静电纺丝液。在自行设计的静电纺丝装置上进行静电纺丝，金属网收集。工艺条件为:电压25 kV，喷嘴到收集网距离13 cm，喷嘴口径0.9 mm，流量1 mL/h。

1.2 形态测试

用日本日立公司S-570型扫描电镜(SEM)观察纳米纤维膜形态。用photoshop 7.0软件将电镜照片分为9部分，用度量工具测得各部分中纤维的直径，然后对比电镜照片标准尺度即可得纤维的实际直径。

1.3 力学性能测试

将纳米纤维膜剪成10 mm×50 mm的细长条试样，在YG(B)141D型数字式织物厚度测试仪(温州市大荣纺织仪器有限公司)上选择5个点测定试样厚度，计算其平均值，即得膜的厚度。样品在恒温恒湿条件(温度23℃，相对湿度70%)下平衡24 h后，在Instron3365型强伸度测试仪上测定膜的断裂强力和绝对断裂伸长，样品的夹持长度为30 mm，拉伸速率为20 mm/min，按公式(1)和(2)计算断裂强度和断裂伸长率。

1.4 过滤性能测试

采用YG(B)141D型数字式织物厚度仪测试聚酯(PET)纤维基布和静电纺纤维膜厚度，采用YG461型织物中压透气量仪(宁波纺织仪器厂)测试透气性。在PET纤维基布表面包覆一层PA 6纤维膜，采用CLG-03A型激光尘埃粒子计数器(苏州市洁净技术研究所)测试对空气中不同粒径粉尘粒子的过滤效率，流量2.83 L/min，气压101.3 kPa。

2 结果与讨论

2.1 静电纺PA 6纤维膜形态结构

图1显示了静电纺PA 6纤维膜的形态结构。由图1可以看出，用PA 6溶于98%甲酸形成的纺丝液进行静电纺丝，成纤性好，无珠状物，纤维均匀连续，平均直径为217 nm。通过连续静电纺丝，纤维层状累积，厚度增加，使膜内纤维纵横交错，呈非织造布状排列，上下贯穿的微孔少。按照Vaz等人［12］的方法，将表面微孔拟合成圆，计算孔径。计算得出本实验制成的纤维膜的表面孔径仅为234 nm，这为微粒的高效过滤奠定了基础，能够通过拦截效应、扩散运动和惯性效应等有效过滤粒径小于 0.5 μm 的粒子。

图1 静电纺PA 6纳米纤维膜扫描电镜照片

2.2 力学性能

过滤材料在过滤过程中要承受较大外力的作用，为进一步探讨静电纺PA 6纳米纤维膜用作过滤材料的可行性，对纤维膜的力学性能进行了研究。由图2纤维膜的应力—应变曲线可看出，厚度31 μm纤维膜的断裂强度为8.06 MPa，伸长率为52.8%;当厚度增加到60 μm时，断裂强度提高到9.05 MPa，伸长率增加到57.1%。这主要是由于增加静电纺丝时间，所纺制的纤维穿插纠缠更加紧密，从而提高了纤维膜的力学性能。然而，由于静电纺丝时喷射流拉伸和固化极快，分子取向度差，结晶度低，造成静电纺纳米纤维膜力学性能差［9］。与工业化生产的高效过滤材料相比，静电纺纳米纤维膜的强度明显偏低，难以满足过滤材料的要求，因而必须采用熔喷、纺粘非织造布或针织布等提供力学支撑［2］。

图2 静电纺PA 6纳米纤维膜应力—应变曲线

2.3 过滤性能

为研究静电纺PA 6纳米纤维膜的过滤性能，本研究选择微孔上下贯穿、孔径为21 μm的普通PET纤维织物为基布，以排除基布对过滤效率的影响，基布仅为纳米纤维膜提供力学支撑。由表1可看出，与PET纤维基布(样品1)相比，在基布表面覆盖一层厚度为31 μm、面密度为1.25 g/m2静电纺PA 6纤维膜后(样品2)，基布与静电纺纤维膜复合体的透气量下降，这主要是由于静电纺PA 6纤维膜的孔径较小，最大孔径仅为426 nm，上下贯穿的微孔较少，导致透气量下降。随着纤维膜厚度增加，纤维交错更加致密，上下贯穿的微孔更少，孔径变小，当纤维膜厚度增加一倍后(样品3)，对气流的阻碍增大，透气量进一步下降，但透气量仍可达549 L/(m2·s)，这为开发高效低阻过滤材料提供了重要条件。

表1 静电纺PA 6纳米纤维膜的透气性与过滤性能

由表1可见，在气流速度为2.83 L/min时，由于样品1上下贯穿的微孔较大，对粒径为0.3和0.5 μm微粒无任何阻挡作用，对粒径为1 μm的微粒过滤效率也仅为9.92%;样品2和样品3是在样品1上覆盖了厚度分别为31和60 μm的PA 6纳米纤维膜，过滤效率得到极大提高，且过滤效率与精度随膜厚的增加而提高。静电纺纳米纤维膜孔径较小，有利于产生拦截效应，这是其具有高过滤效率的主要原因。此外，纳米纤维膜纤维直径较小，表面能和活性增大，在静电纺丝时使纳米纤维带上电荷，静电吸附力增强也提高了过滤效率［7］。

3 结论

(1)用98%甲酸溶解PA 6制成质量浓度为13%的纺丝液，经静电纺丝制得的静电纺PA 6纳米纤维膜，其纤维平均直径为217 nm，表面孔径为234 nm。纤维细、纤维膜孔径小，有利于提高对微小粒子的过滤效率和精度。PA 6纳米纤维膜的断裂强度为8.06 MPa，断裂伸长率为52.8%，用作过滤材料时需要基布支撑以提高其力学性能。

(2)在基布上覆盖静电纺PA 6纳米纤维膜后，透气量下降;纤维膜越厚，透气量越低。PET纤维基布与膜厚为60 μm静电纺PA 6纳米纤维膜复合体的透气量仍可达到549 L/(m2·s)，为开发高效低阻过滤材料提供了重要条件。

(3)PET纤维基布对粒径为1 μm微粒的过滤效率仅为 9.92%，对粒径为 0.5 和 0.3 μm 微粒无过滤作用;在PET纤维基布上覆盖一层面密度为1.25 g/m2的PA 6纳米纤维膜后，在气流速度为2.83 L/min时，对粒径为 1、0.5 和 0.3 μm 的微粒其过滤效率分别为92.16%、89.66%和87.38%;当在PET纤维基布上覆盖一层面密度为2.5 g/m2的PA 6纳米纤维膜后，其相应的过滤效率分别增加到97.03%、96.23%和 95.65%，过滤效率和精度显著提高。

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Filtration performances of electrospun PA 6 nanofiber membranes

Yin Guibo
(Nantong Textile Vocational Technology College)

PA 6 was firstly dissolved in 98%formic acid to produce the spinning liquor with concentration of 13wt%，and then be electrospun to obtain nanofiber membranes with the thickness of 31 to 60 μm，the average diameter of 217 nm and the surface average pore diameter of 234 nm.Because the breaking tenacity of the membrane was only 8.06 MPa，the polyester fabrics were selected as substrate to provide mechanical support to test the filtration performance of various specimens.The results showed that the filtration efficiency of the general polyester fiber substrate was only 9.92%on filtration of particle of 1μm while the airflow speed be of 2.83 L/min，and no filtration efficiency on 0.5 μm and 0.3 μm particles，when they were covered with the electrospun PA 6 nanofiber membrane with the density of 1.25 g/m2，they could filter the former specification particles separately on filtration efficiency of 92.16%，89.66%，87.38%，respectively.Adopting the electrospun membrane with the density of 2.5 g/m2，the filtration efficiency reached 97.03%，96.23%，95.65%for 1 μm，0.5 μm，0.3 μm particles，and the permeability did not increased significantly.The excellent filtration performance，combined with a simple production process，suggested tremendous potential application for high-precision filter materials.

electrospinning，nanofiber，PA 6，mechanical property，filtration performance

TQ342+.11

A

1004－7093(2011)05－0017－04

*江苏省神经再生重点实验室开发课题(SK2009-3)

2011－03－01

尹桂波，男，1978年生，讲师。主要从事纳米纤维材料及功能纺织材料研究。