静电纺PA 6/CS复合纤维膜的过滤性能研究

静电纺PA 6/CS复合纤维膜的过滤性能研究*

刘雷艮韩茹

(苏州经贸职业技术学院纺织服装与艺术传媒学院，苏州，215008)

摘要：采用自制单喷头静电纺丝设备，以聚丙烯熔喷非织造布为基布，制备静电纺聚酰胺6/壳聚糖(PA 6/CS)复合纤维膜，研究了静电纺丝时间对复合膜表面形貌、孔径和过滤性能的影响。结果表明：随着静电纺丝时间增加，复合纤维膜对NaCl气溶胶的过滤效率显著增加，过滤阻力明显增加，品质因子先增加后减小；连续纺丝90 min后，复合纤维膜的过滤效率达到99%以上。

关键词：静电纺丝，聚酰胺6，壳聚糖，过滤性能

中图分类号：TQ340.649文献标志码：A

基金项目*苏州经贸职业技术学院自然一般(JMY21303)

收稿日期：2014-09-26

作者简介：刘雷艮，女，1979年生，讲师。主要研究方向为高技术纤维的开发与应用。

通过静电纺丝可以制备具有较大比表面积和表面吸附能的纳米级纤维。静电纺纤维膜具有高孔隙率和贯通的三维孔隙结构，且纤维表面残留大量静电荷[1]，这些特性使得其对粉尘具有很高的捕集效率和较小的过滤压降，因此很适合用作空气过滤材料[2]。但是，静电纺纤维膜的强力差，很难满足过滤时的压力要求，因此常与非织造基布复合来增加其力学性能[3-5]。

壳聚糖(CS)是一种无毒无害的天然抗菌材料，可以较好地抑制粉尘表面携带的细菌和微生物，但是较难进行静电纺丝；而聚酰胺6(PA 6)可纺性好，其静电纺纤维的直径可达100 nm以下。本文采用自制单喷头静电纺丝设备，以聚丙烯熔喷非织造布为基布，制备了静电纺PA 6/CS纳米复合纤维膜，并研究了该复合纤维膜的表面形态、孔隙结构及其对NaCl气溶胶的过滤性能。

1实验部分

1.1材料

PA 6树脂颗粒，上海百灵威化学技术有限公司；

壳聚糖，MW=2×104g/mol，脱乙酰度80%，青岛云宙生物科技有限公司；

聚丙烯熔喷非织造布，市售，面密度为29.4 g/m2；

88%甲酸，上海试剂总厂。

1.2静电纺丝

在室温条件下，将一定量的PA 6树脂颗粒和CS粉末经JB-90-3型定时恒温磁力搅拌器充分搅拌溶解于88%甲酸中，配成质量分数为15%的静电纺丝溶液，其中壳聚糖占1%。

静电纺丝设备如图1所示。先将聚丙烯熔喷非织造布固定在金属接收屏表面，然后将纺丝液注入5 mL玻璃注射管中(针头内径为0.45 mm)，连续静电纺丝15～90 min，获得复合纤维滤料试样；将纺得的试样在室温下放置24 h后再进行各项测试。纺丝工艺参数为：纺丝电压15 kV，喷丝头与接收屏之间的距离15 cm，纺丝液流量0.06 mL/h，接收屏转速18.8 cm/s。

图1　静电纺丝设备示意

1.3性能测试

1.3.1形态结构

采用S-4800型扫描电子显微镜记录过滤前后复合纤维膜的表面形貌，加速电压15 kV，发射电流10.5 mA。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，每一试样测试纤维100根左右。

1.3.2过滤性能

采用TSI8130型全自动过滤测试仪(美国明尼苏达州TSI有限公司)测试试样的过滤效率和过滤阻力。NaCl气溶胶质量中值直径为260 nm，数量中值直径为75 nm，几何标准偏差不超过1.83，气流流量为(85±0.2) L/min，每组试样分别测试5次，取平均值。

1.3.3孔径

采用Porometer 3G孔径分析测试仪(美国康塔公司)测试试样的孔径大小及其分布，每组试样分别测试3次，取平均值。

2结果与分析

2.1表面形貌

图2为各试样过滤NaCl气溶胶颗粒前后的表面SEM照片。

图2(b)是过滤后聚丙烯熔喷非织造布的表面形貌，表面未见NaCl颗粒残留；图2(e)是过滤后静电纺丝90 min复合纤维膜的表面形貌，可见表面吸附了较多的NaCl颗粒；图2(c)和图2(d)分别是过滤前静电纺丝15和90 min复合纤维膜的表面形貌，可以看到静电纺丝15 min复合纤维膜的静电纺纤维层较薄，基布纤维仍然可见，而静电纺丝90 min复合纤维膜的静电纺纤维层能较好地覆盖基布纤维，但是分布不均匀。

聚丙烯熔喷非织造布的纤维直径为(2.1±0.73)μm，平均孔径为10.3 μm，最大孔径为11.9 μm，最小孔径为9.58 μm；而静电纺PA 6/CS纤维的直径为(88±10.1) nm，静电纺丝90 min复合纤维膜的平均孔径为4.35 μm，最大孔径为9.18 μm，最小孔径为3.83 μm。这说明在非织造基布上复合静电纺纳米纤维层能明显降低材料的孔径，但分布均匀性差，导致孔径分布范围宽。

2.2过滤性能

根据经典纤维过滤理论，纤维过滤材料主要通过拦截效应、惯性效应、布朗扩散、重力沉降和静电捕获5种方式捕集空气中的微粒，微粒被捕集是几种机理共同作用的结果[6]。过滤性能通常用过滤效率、过滤压降、品质因子和容尘量来表示。根据经典经验公式，过滤效率和品质因子定义为：

图2　过滤前后各试样的SEM照片

(1)

(2)

式中：η——过滤效率；

c1——过滤前气溶胶浓度；

c2——过滤后气溶胶浓度；

QF——品质因子；

ΔP——过滤压降。

过滤效率越高，过滤压降越小，则过滤器的品质因子越大，其过滤性能越好。

Brown[7]认为对于非织造纤维过滤器的过滤效率可定义为：

(3)

式中：α——纤维填充密度；

ηf——单纤维过滤效率；

Z——纤维层厚度；

df——平均纤维直径。

由此可见，纤维填充密度越大，纤维层越厚，纤维直径越小，则纤维过滤器的过滤效率越大。

根据Davies[8]经验公式，通过清洁非织造纤维过滤器的压力降为：

(4)

式中：U0——表面风速；

μ——空气动力黏度。

由此可见，纤维层厚度越大，纤维填充密度越大，纤维直径越小，则过滤压降越大。而此三种因素对过滤效率的影响结果恰好相反，这也说明了过滤效率和过滤压降之间存在的矛盾关系。

由表1可见，随着纺丝时间增加，复合纤维膜的过滤效率逐渐增加，过滤压降逐渐增大，品质因子先增加后减小。静电纺丝15 min即可显著提高聚丙烯熔喷非织造布的过滤效率，而过滤压降没有明显增加，品质因子增加的幅度最大；当静电纺丝60 min时，复合纤维膜的过滤效率可达98.57%，过滤压降迅速增加，品质因子增幅不明显；再继续增加纺丝时间，复合纤维膜的过滤效率增幅变缓，过滤压降继续迅速增加，品质因子略有下降。由上述分析可知，聚丙烯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，且纤维填充密度较小，过滤过程中绝大部分NaCl气溶胶可以直接穿过非织造布，致使过滤效率很低，品质因子很小。而静电纺PA6/CS的纤维直径达纳米级，并且填充密度较大，由公式(3)和公式(4)可知，过滤效率和过滤压降都会迅速增加；同时，随着纺丝时间的延长，静电纺纤维层的厚度增加，过滤效率逐渐提高，但过滤阻力也迅速增加，且过滤压降的增幅远超过过滤效率的增幅，从而导致品质因子在过滤效率达到一定程度后而有所下降。

表1纺丝时间对静电纺复合纤维膜过滤性能的影响

3结论

(1)采用自制静电纺丝设备可制备直径为(88±10.1) μm的PA 6/CS纳米纤维，与聚丙烯熔喷非织造布复合可以显著改善聚丙烯熔喷非织造布的过滤性能。

(2)随着静电纺丝时间的增加，复合纤维膜对NaCl气溶胶的过滤效率迅速增加，但过滤阻力亦急剧增加，品质因子并未明显增大。静电纺丝90 min后，复合纤维膜的过滤效率可达99%以上，过滤阻力达307.2 Pa。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之间的矛盾关系。

参考文献

[1]LOVERA D, BILBAO C, SCHREIER P, et al. Charge storage of electrospun fiber mats of poly(phenylene ether)/polystyrene blends[J]. Polymer Engineering Science,2009,49:2430-2439.

[2]QIN X H, WANG S Y. Filtration properties of electrospinning nanofibers[J]. Applied Polymer Science,2006,102:1285-1290.

[3]姚春梅,黄锋林,魏取福，等.静电纺聚乳酸纳米纤维复合滤料的过滤性能研究[J].化工新型材料,2012,40(4):122-124.

[4]康卫民,程博闻,庄旭品，等.静电纺纳米级纤维复合膜及其过滤性能[J].纺织学报,2006,27(10):6-8.

[5]PREZEKOP R, GRADON L. Deposition and filtration of nanoparticles in the composition of nano- and micro sized fibers[J]. Aerosol Science and Technology,2008,42:483-493.

[6]覃小红,王善元.静电纺纳米纤维的过滤机理及性能[J].东华大学学报：自然科学版,2007,33(1):52-56.

[7]BROWN R C. Air filtration: an integrated approach to the theory and applications of fibers[M]. Oxford: Pergamon Press,1993.

[8]DAVIES C N. The separation of airborne dust and particulates[J]. Proc Inst Mech Eng 1B，1952：185-213.

Filtration properties of electrospun PA 6/CS

composite fibrous membrane

LiuLeigen,HanRu

(School of Textile Clothing & Artistic Media, Suzhou Institute of Trade & Commerce)

Abstract:Electrospun PA 6/CS composite fibrous membrane was preparated on polypropylene melt-blown nonwovens by single jet electrospun equipment. The effluence of electrospun time to surface morphology, pore size, filtration properties was studied. The results show that the filtration efficiency and filtering press drop of composite fibrous membrane to NaCl aerosol was increased significantly, but the quality factor was increased firstly and decreased secondly. The filtration efficiency of composite fibrous membrane was increased to 99% for 90 min.

Kaywords: electrospinning, PA 6, chitosan, filtration property

瓦克集团2015财年预计将继续实现增长

瓦克集团作为一家全球性的公司,其经营业务包括世创电子材料、瓦克有机硅、瓦克聚合物、瓦克多晶硅、瓦克生物科技等。集团在世界各地设有25个生产基地，并在欧洲、美洲和亚洲29个国家设有子公司和销售办事处，在中国的发展也尤为稳健。

近日瓦克集团宣布，集团2014年实现销售额48.3亿欧元，比2013年(44.8亿欧元)高出约8%，各业务部门均实现销售量增长；利息、税、折旧、摊销前利润(EBITDA)为10.423亿欧元(2013年为6.788亿欧元)，同比提高了近54%。EBITDA利润率从15.2%大幅增长至21.6%。其中，2014财年集团大中华区销售额为12.2亿欧元，与2013年(10.7亿欧元)相比增长14%。此成绩得益于中国整体宏观经济的发展，以及集团对下游产品生产设施和本土研发的持续投入。

瓦克集团预期，集团2015年全年的销售额和除去特殊收益后的EBITDA均将高于2014年，销售额增长率可达1%~9%的高位数，各业务部门的销售量和销售额均将高于2014年。集团EBITDA在除去赔偿金和更新供货合同而获得的特殊收益后，将略高于2014年相应值。EBITDA利润率则将有所下降，主要原因为美国田纳西州查尔斯顿新生产基地产生的启动费用。2015年投资额将高于2014年，约为7亿欧元，各类折旧费将在6.25亿欧元左右，略高于2014年水平。净现金流量将稍有增长，净金融负债将主要因为在美国田纳西州的投资而增加2亿~3亿欧元。集团年终利润将因特殊收益减少和略高于50%的税率而低于2014年水平。