静电纺高效防尘复合滤料的制备及其性能

刘雷艮，沈忠安，洪剑寒

(1.苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州 215009;2.吴江市桃源海润印染有限公司，江苏 苏州 215236)

静电纺高效防尘复合滤料的制备及其性能

刘雷艮1，沈忠安2，洪剑寒1

(1.苏州经贸职业技术学院，江苏 苏州 215009;2.吴江市桃源海润印染有限公司，江苏 苏州 215236)

为获得无毒无害高效防尘口罩的过滤材料，采用静电纺丝技术制备直径为(0.088±0.01)μm的锦纶6/壳聚糖(PA6/CS)共混纳米纤维，与丙纶熔喷非织造布复合形成高效防尘复合滤料，研究了静电纺丝时间对复合滤料表面形貌、孔径及其分布、过滤性能和透气透湿性能的影响。结果表明，静电纺PA6/CS纳米纤维层可显著提高丙纶熔喷非织造布的过滤效率，静电纺丝90 min后复合滤料对NaCl气溶胶的过滤效率达到99%以上，明显高于丙纶熔喷非织造布的过滤效率(29%)，但是随着静电纺丝时间的延长，复合滤料的孔径、过滤阻力和透气性能明显下降，而透湿性能变化不明显。

静电纺丝;锦纶6;壳聚糖;过滤性能;透气透湿性

近2年来中国大部分地区出现了雾霾天气，空气中含有大量的粉尘颗粒，科学研究表明粒径小于2.5μm的粉尘可以直接进入肺泡，严重威胁人体健康，因此对高效防尘口罩过滤材料的需求也日益增加。高效防尘口罩材料必须具有高效率、低气流阻力、一定的机械强度及较好的均匀性。非织造布具有三维立体网状结构、贯通的孔隙结构，用作防尘材料时具有低流阻、高容尘量的特点。但是非织造布对粉尘的过滤作用主要依赖于机械拦截作用，因此对较小的粉尘颗粒的过滤效率很低。通过驻极处理可以使非织造布带电，利用静电吸引作用捕获带电粉尘，可以在较低面密度条件下达到高过滤效率、低流阻的效果，成为目前广泛使用的高效防尘口罩材料。

通过静电纺丝技术可以一次性获得携带大量静电荷的超细纤维非织造布［1］，该非织造布具有高表面吸附能，孔隙率高达80%以上，其孔径大小因纤维直径和非织造布厚度不同可达几纳米至几微米，因此对小于2.5μm的粉尘颗粒具有极高的过滤效果［2－3］。但是静电纺非织造布的结构松散、强力低，且制备高面密度的电纺膜缺乏经济性，因此采用非织造布作为强力支撑层，并在其表面复合一层静电纺纳米纤维层，从而实现高过滤效率和低流阻［4－6］。但是静电纺纤维毡不均匀，影响其过滤性能。可采用多喷头静电纺丝，或者使用滚筒式接收屏同时横移注射泵来改善静电纺纤维在非织造布表面的均匀性［7－8］。

壳聚糖(CS)是一种天然抗菌材料，无毒无害，很适合用于防尘口罩材料，但是纯壳聚糖静电纺丝较困难，而锦纶6(PA6)可纺性好，其纤维直径可达100nm以下。本文通过制备PA6/CS共混溶液，采用滚筒式接收屏，横向移动注射泵，直接在丙纶熔喷非织造布上进行静电纺丝获得复合纤维膜，研究所得复合纤维膜的表面形态、孔隙结构、透气透湿性及其对NaCl气溶胶的过滤性能。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

PA6树脂颗粒(德国西格玛公司);88%甲酸(上海试剂总厂);壳聚糖(脱乙酰度80%，青岛云宙生物科技有限公司);丙纶熔喷非织造布(市售，面密度为29.4 g/m2)。

Porometer 3G孔径分析测试仪(美国康塔公司);日立S-4800型扫描电子显微镜(日本日立公司);TSI8130型全自动过滤测试仪(美国明尼苏达州TSI有限公司);YG461E-Ⅲ全自动透气量仪，YG(B)216-II透湿量仪(宁波纺织仪器厂);DWP503-1AC高压直流电源(天津市东文高压电源厂);Kd scientific 100型微量注射泵(美国科学仪器有限公司);JB-90-3型定时恒温磁力搅拌器(上海振荣科学仪器有限公司);BS224S型Sartorius电子天平(精度为0.1 mg，德国sartorius公司)。

1.2 静电纺丝

在室温条件下，将一定量的PA6树脂颗粒和CS粉末充分搅拌溶解于88%的甲酸中，配成质量分数为15%的溶液，其中壳聚糖质量分数为1%，充分搅拌均匀后配成静电纺丝液。静电纺丝设备如图1所示，将丙纶熔喷非织造布均匀包裹在接收屏上，非织造布与接收屏之间用双面胶固定。将纺丝液注入5 mL的玻璃注射管中，针头内径为0.45mm，在纺丝电压为15 kV，喷丝头与接收屏之间距离为15cm，纺丝液流量为0.06 mL/h，接收屏转速为18.8cm/s的纺丝条件下连续静电纺丝15～90 min，将纺得的复合纤维毡在室温条件下放置24 h后再进行各项测试。

图1 静电纺丝设备Fig.1 Electrospun unit

1.3 形态表征性能测试

1.3.1 形态结构表征

用刀片切取2mm×3mm的矩形试样黏贴在试样台上，经喷金处理后，采用S-4800型扫描电子显微镜(加速电压15 kV，发射电流10.5 mA)表征纤维的形态，然后采用HJ2000通用图像分析软件计算纤维直径，并统计其分布情况，每个试样测试纤维100根。

1.3.2 过滤性能测试

称取20g NaCl固体，加入到1000 mL去离子水中，在室温条件下搅拌至完全溶解，配成质量分数为5%的溶液。NaCl气溶胶质量中值直径为260nm，数量中值直径为75nm，几何标准偏差小于1.83。过滤时有效过滤面积为100cm2，气流流量为(85±0.2)L/min。

1.3.3 孔径测试

将直径为25mm的圆形试样放在Porofil试剂中完全浸润，然后放置在Porometer 3G孔径测试仪的试样台上并拧紧上部旋盖，设置测试孔径参数进行测试。

二是加大政府投入。商城县政府应加大财政资金投入力度，建立旅游业发展专项资金，用于完善旅游目的地基础设施建设、旅游宣传促销、旅游特色景观和重点旅游项目建设等。

1.3.4 透气率测试

将试样放置在温度为20℃、相对湿度为65%的大气条件下平衡24 h后测其透气率，测试有效面积为20cm2，测试压差为100 Pa。

1.3.5 透湿量测试

根据GB/T 12704.2—2009《纺织品 织物透湿性试验方法第2部分蒸发法》中的正杯法测试复合滤料的透湿量。测试温度为(38±2)℃，湿度为(50±2)%，透湿杯内装入34 mL与实验温度相同的蒸馏水。

2 结果与分析

2.1 表面形貌与孔径分析

图2示出过滤前后试样的SEM照片。从图2可看出，丙纶熔喷非织造布的纤维直径远远大于静电纺PA6/CS共混纤维的直径(如图2(a)～2(c)所示)，静电纺丝15 min后，静电纺纤维层较薄，仍能较清晰地看见基布纤维;而静电纺丝90 min后，静电纺纤维层已经较好地覆盖了基布纤维(如图2(d)所示)，但是纤维层的分布均匀性较差。经NaCl气溶胶初次过滤后，丙纶熔喷非织造布上几乎没有吸附NaCl颗粒(如图2(b)所示)，而静电纺丝90 min后复合滤料表面吸附了较多的NaCl颗粒(如图2(e)所示)。丙纶熔喷非织造布的孔径较大，且分布较集中，在10～11μm之间的孔径占总数的70%以上;而静电纺丝90 min后的复合滤料的平均孔径明显减小，但是孔径分布较分散，在3.7～5.3μm之间的孔径占总数的92%以上，最大孔径9.18μm处的孔径数量几乎为零，试样的结构参数如表1所示。试样的电镜照片如图3所示。

图2 过滤前后各试样的SEM照片Fig.2 SEM images of samples before and after filtration.(a)Nonwoven fabric before filration;(b)Nonwoven fabric after filtration;(c)Electrospun for 15 min;(d)Electrospun for 90 min;(e)Electrospun for 90 min after filtration

表1 试样的结构参数Tab.1 Structural parameters of samples μm

一般情况下，静电纺非织造布的纤维直径、厚度和分布均匀性直接影响其孔径大小及其分布，纤维直径越细，厚度越大，分布越均匀，则纤维膜的孔径越小且分布越均匀［9］。姚春梅等［5］的研究结果表明，随着静电纺丝时间的延长，非织造基布逐渐被静电纺纤维覆盖，复合滤料的孔径逐渐变小，并且孔径分布由原先的集中分布变为向小孔径方向分散分布，再向小孔径方向集中分布。当静电纺丝时间较短时，静电纺纤维层未能完全覆盖基布间较大的孔隙，使得复合滤料的孔径分布较宽;当静电纺丝时间达到一定程度后，静电纺纤维能够完全覆盖基布表面孔隙，此时复合滤料的孔径及其分布完全取决于静电纺纤维的厚度和分布均匀性。丙纶熔喷非织造布的纤维直径远远大于静电纺复合滤料，因此其平均孔径远大于静电纺复合滤料的平均孔径，如表1所示。静电纺丝过程中射流鞭动不稳定，注射泵横向移动频率较小、移动位移较大，都使得纳米纤维毡在收集屏表面的分布均匀性变差，从而造成静电纺复合滤料的孔径分布较分散。

图3 试样孔径及其分布曲线Fig.3 Pore size distribution curves of samples

2.2 过滤性能分析

静电纺丝时间对静电纺复合滤料的过滤效率和过滤阻力影响很大。丙纶熔喷非织造布对NaCl气溶胶的过滤效率仅为29%，过滤阻力为91.7 Pa，随着静电纺丝时间的延长，静电纺复合滤料对NaCl气溶胶的过滤效率逐渐增加，过滤阻力也逐渐增加。当静电纺丝15 min时，复合滤料的过滤效率迅速增加到76.1%，但过滤阻力增加的幅度较小;当纺丝时间达到90 min时，过滤效率达到99%以上，过滤阻力明显增加至 307.2 Pa，增幅达 235%，结果如图4、5所示。

图4 过滤性能与纺丝时间的关系曲线Fig.4 Curves between filtration properties and electrospun time

图5 纺丝时间与透气透湿性的关系曲线Fig.5 Curves between permeability and electrospun time

由上述分析可知，丙纶熔喷非织造布的纤维直径和孔径远远大于NaCl气溶胶的中值直径，其过滤机制主要以拦截效应为主，过滤过程中绝大部分NaCl气溶胶直接穿过非织造布，导致过滤效率很低。经静电纺丝90 min后形成的复合纤维膜平均孔径显著减小，从而提高了对NaCl气溶胶的拦截效应，使过滤效率增加。Lovera等［1］的研究结果表明静电纺纤维表面储存大量静电荷，静电纺聚苯乙烯纤维膜在储存1h后，纤维表面平均电势仍达616 V。气溶胶在产生过程中会随机带有不同的电荷，因此静电纺PA6/CS纤维可以通过静电吸附作用捕获部分NaCl气溶胶颗粒。另一方面，静电纺PA6/CS的纤维直径达纳米级，且与NaCl气溶胶中值直径相近，具有很强的表面吸附能，使得复合滤料对NaCl气溶胶的吸附沉积作用增强，从而使复合纤维膜的捕集效率显著提高。静电纺丝时间越长，在丙纶熔喷非织造布上沉积的静电纺纤维量越多，纤维层越厚，孔径越小，从而过滤效率越高［5，9］。但是过滤阻力却因静电纺纤维层厚度的增加使得其孔径减小而迅速增加。

2.3 透气和透湿性分析

防尘口罩过滤材料的透气和透湿性能直接影响其佩戴舒适性。纤维过滤材料的透气率与纤维的直径、纤维集合体的孔隙结构以及面密度等因素密切相关，且面密度越大，透气性越差［14］。由图5可知，随着静电纺丝时间的延长，复合滤料的透气率几乎呈线性下降，而透湿量总体上也呈下降趋势，但是其下降幅度远小于透气率。静电纺丝90 min后，复合滤料的透气率是丙纶熔喷非织造布的46.9%，而其透湿量仅减小1.4%。这是由于丙纶熔喷非织造布的孔径较大，因此透气透湿性能较好。随着静电纺丝时间的延长，静电纺纤维的厚度逐渐增加，面密度也逐渐增加，透气性能下降明显。一方面气态水分子更容易透过孔径大、面密度小的滤料;另一方面静电纺PA6/CS纳米纤维有较好的吸湿性和高表面吸附能使其吸湿能力增强，并且静电纺丝时间越长，面密度越大，吸收气态水的纤维量越多，吸湿能力越强。这2个因素的综合作用使得静电纺复合滤料的透湿量下降不明显。由此可见静电纺纤维层能够很好地改善丙纶熔喷非织造布的过滤效率，但是过滤效率的提高会使过滤压降增大、透气性变差，因此过滤效率与过滤压降、透气性之间的矛盾是研究开发高效低阻过滤材料的焦点问题。

3 结论

1)采用静电纺丝技术可制备直径为(0.088±0.01)μm的PA6/CS共混纳米纤维，与丙纶熔喷非织造布复合可以显著改善丙纶熔喷非织造布的过滤效率。

2)随着静电纺丝时间的延长，对NaCl气溶胶的过滤效率迅速增加，但过滤阻力和透气性急剧下降，透湿性能变化不明显。静电纺丝90 min后，复合滤料的过滤效率可达99%以上，过滤阻力达307.2 Pa，较丙纶熔喷非织造布增加了235%，因此可根据实际需要选择静电纺丝时间以协调过滤效率和过滤阻力、透气性和透湿性之间的矛盾。

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Preparation and properties of electrospun composite material for high-efficiency ash filtration

LIU Leigen1，SHEN Zhongan2，HONG Jianhan1
(1.Suzhou Institute of Trade＆ Commerce，Suzhou，Jiangsu 215009，China;2.Wujiang Hairun Printing ＆ Dyeing Co.，Ltd.，Suzhou，Jiangsu 215236，China)

In order to make filtering mask with nontoxicity，harmless and high efficiency，composite filtering material made by electrospun polyamide 6/chitosan(PA6/CS)nanofibers and polypropylene melt-blown nonwoven fabric has been prepared.The diameter of electrospun PA6/CS nanofiber was(0.088±0.01)μm.The influence of electrospun time on surface morphology，pore size，filtration efficiency，ventilation property and water vapor permeability were investigated.The results showed that the electrospun PA6/CS nanofibers can significantly improve filtration efficiency of polypropylene meltblown nonwoven fabric.The filtration efficiency to NaCl aerosol of composite material electrospun for 90 min was increased to 99%，which was obviously higher than polypropylene melt-blown nonwoven fabric by about 29%.The pore size，filtering pressure and ventilation property of the composite material were decreased obviously with increasing electrospun time，but the water vapor permeability was not changed obviously.

electrospinning;polyamide 6;chitosan;filtration properties;permeability

TQ 50.43

A

10.13475/j.fzxb.20140703105

2014－07－14

2015－03－13

苏州市科技支撑计划项目(SG201408)

刘雷艮(1979—)，女，讲师，博士。主要研究方向为高技术纤维的开发与应用。E-mail:lgliu@szjm.edu.cn。