防静电、高效低阻静电纺亚微米纤维基复合净化材料的制备

张晓玲，刘太奇

(1.北京石油化工学院 环境材料研究中心，北京 102617；2.北京石油化工学院 航天材料研究所，北京 102617；3.北京化工大学 材料科学与工程学院，北京 100029)



防静电、高效低阻静电纺亚微米纤维基复合净化材料的制备

张晓玲1,3，刘太奇1,2

(1.北京石油化工学院 环境材料研究中心，北京 102617；2.北京石油化工学院 航天材料研究所，北京 102617；3.北京化工大学 材料科学与工程学院，北京 100029)

研究了一种过滤效率高，过滤阻力小，同时具有防静电吸附性能的复合空气夹心净化材料的制备方法。该材料中间层为亚微米纤维膜，上、下两层分别为耐高温材料玻璃纤维和预过滤层工业滤布。通过对此复合材料电阻率以及过滤效率的测定表明，这种过滤材料对粒径为2 μm颗粒的过滤效率可以达到99.93%，同时压力降只有490 Pa；在夹心层纤维中加入一定比例的碳黑颗粒，可提高导电性，以改善材料静电性能。当加入5%纳米碳黑颗粒后，夹心净化材料的电阻率由5.8×1010Ω·m降为6.0×109Ω·m，有明显降低。

过滤材料；高效低阻；导电颗粒；防静电性能

随着社会进步和人们生活水平的提高，过滤器尤其是高效空气粒子(HEPA)过滤器、超低穿透率空气(ULPA)过滤器越来越广泛地应用于各个领域，如微电子、制造工业、医院、食品业、化妆品行业、环保业、核工业及军事领域等[1]。空气中PM2.5和PM10给人们的生活带来了越来越大的影响。传统的空气过滤材料主要包括石棉纤维、聚酯与聚丙烯腈等合成纤维、玻璃纤维等，其对亚微米微粒以及其他较小病原体难以实现有效过滤[2]。由静电纺纳米纤维制备的空气过滤材料比传统过滤材料能更有效地去除空气中的有害物[3]。此外，传统过滤材料容易产生静电。自20世纪60年代起，人们开发了导电纤维，这类纤维的导电基于自由电子，因此无湿度依赖性，它只需在织物中混入0.01%～5%的导电颗粒，就可解决静电问题[4]。

本文通过在聚苯乙烯(PS)中加入导电物质碳黑制备出PS纤维，含碳黑的PS纤维与玻璃纤维和工业滤布通过实验室自制热压设备进行热压，成功制备出过滤效率高、压力降小和电阻率降低的复合空气净化材料。

1 试验部分

1.1 原料与试剂

PS：平均分子量为140 000，北京化学试剂公司；N-N二甲基甲酰胺(DMF)：分析纯，北京化工厂；乙炔碳黑：20～40 nm，天津金秋实化工有限公司；玻璃纤维：规格10 cm×10 cm，江苏九鼎基团股份有限公司；工业滤布：5 000目，杭州永腾工业滤布有限公司；白炭黑：2 μm，河北燕邦华工科技有限公司；蒸馏水：艾科浦超纯水系统(AFZ-1002-U)，重庆颐洋企业发展有限公司。

1.2 导电纤维的制备

分别将0.077、0.158和0.243 g碳黑加入15 g DMF中，磁力搅拌12 h，均匀分散；再加入3 g PS，溶于DMF中，磁力搅拌20 h，配制成PS质量分数为20%，碳黑与PS的质量比分别为1∶39、1∶19和3∶37的混合溶液。超声共振10 min后，将所配溶液进行静电纺丝，电压分别为15、18和21 kV，采用7号针头，铝箔与喷头间的距离为10 cm[5]。

1.3 复合夹心过滤材料的制备

选定碳黑与PS质量比及纺丝电压后，通过静电纺丝将掺杂碳黑的PS亚微米纤维电纺于工业滤布上，再通过热压装置将单面含有亚微米纤维层的工业滤布与玻璃纤维进行热压粘结，其中亚微米纤维层为中间层。工业滤布与玻璃纤维的规格均为10 cm×10 cm，辊筒温度为102 ℃，两辊间隙为0.3 mm。

1.4 夹心净化材料电阻率测试

将尺寸为10 cm×10 cm的夹心净化材料放入ZC36型高阻计进行测试。读取电流值I、电压值U，通过式1、式2计算净化材料的电阻率ρV。其中，厚度d为三点厚度的平均值[6]。

(1)

(2)

式中，r为圆盘半径，取2.5 cm；d为材料厚度；RV为材料电阻。

最后，通过比较加入碳黑后净化材料电阻率变化来判断其静电性能。

1.5 夹心净化材料压力降测试

根据U型管压强计原理，使用实验室自行研制装置读取水柱高度差h，根据式3计算压力降P[7]。

P=ρgh

(3)

式中，ρ为水的密度，取1.0×103kg/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；h为水柱高度差。

通过控制纺丝时间，即纤维层厚度，进而调节压力降大小，以平衡压力降和过滤效率。

1.6 夹心净化材料过滤性能测试

白炭黑(SiO2)粒径较均匀，平均直径为2 μm，能较好地分散在蒸馏水中，浊液的浊度值能直接反映溶液浓度。利用白炭黑和去离子水配制120 NTU的浊液，采用死端抽滤法，测量过滤前、后浊液浊度值C，通过式4计算过滤效率SF[8]。

(4)

式中，C1、C2分别是过滤前、后浊液的浊度值，单位为NTU(1 NTU=1 mg/L悬浮体)。

2 结果与讨论

2.1 导电纤维形貌

2.1.1 电压对纤维直径的影响

碳黑与PS质量比为1∶19条件下，不同纺丝电压时PS纤维的平均直径见表1。从表1中可以看出，随着静电纺丝电压的增加，纤维直径减小[9]，且纤维均匀，形貌良好。所以选择纺丝电压为18 kV。

表1 不同纺丝电压下纤维的平均直径

2.1.2 碳黑含量对纤维直径的影响

掺杂不同含量碳黑后纤维的平均直径见表2。从表2中可以看出，随着碳黑含量的增多，纤维平均直径由1 736 nm减小到1 368 nm，且纤维均匀，形貌良好。此规律可从式5得到解释[10]：随着碳黑含量的增多，液滴表面电荷增多，介电常数ε0增大，从而导致液滴表面直径减小。由于碳黑与PS质量比为3∶37时纺丝困难，所以选择碳黑与PS质量比为1∶19。

(5)

式中，Q为球体表面总电荷；ε0为介电常数；γ为液体表面张力；R为液滴表面直径。

表2 不同碳黑含量下纤维的平均直径

2.2 夹心净化材料

作为基材的工业滤布的扫描电子显微镜(SEM)图如图1所示，夹芯材料SEM图如图2所示。

图1 空白工业滤布SEM图

图2 夹芯材料SEM图

2.3 夹心复合材料的导电性能

碳黑与PS质量比为1∶19和不含碳黑的电阻率对比表见表3。从表3中可以看出，碳黑的加入使电阻率由5.8×1010Ω·m降为6.0×109Ω·m，直接改善了其静电性能，从而降低了静电吸附影响。

表3 夹芯材料电阻率对比表

2.4 夹心复合材料的压力降和过滤性能

在碳黑与PS质量比为1∶19，纺丝时间分别为4、10 min时，夹心净化材料空气中对应的压力降见表4。从表4中可以看出，工业滤布过滤阻力为284 Pa；当纺丝时间越长，即纤维层越厚时，过滤层孔径减小，导致过滤阻力增大。

表4 不同纺丝时间条件下夹芯材料的压力降

碳黑与PS质量比为1∶19条件下，纺丝时间分别为4、10 min时，夹心净化材料过滤白炭黑时的过滤效率见表5。从表5可以看出，工业滤布起着预过滤的作用，加入纤维层后过滤效率由23.67%提高到99.93%；当纺丝时间越长，即纤维层越厚时，过滤层孔径减小，从而夹心材料过滤效率增大；在过滤效率增大的同时，所需要的压力降也增大。

表5 不同纺丝条件下过滤效率对比

3 结语

本文成功制备出过滤效率高，过滤阻力小，具有一定抗静电性能的亚微米基夹心复合材料，其中，夹心材料中亚微米纤维层起着提高过滤效率与抗静电的作用[11]。当碳黑与PS质量比为1∶19时，夹心材料电阻率由5.75×1010Ω·m降为5.96×109Ω·m，其导电性能得到了改善，从而降低了静电吸附带来的影响。夹心材料能够过滤的颗粒大小随纺丝时间显著增大，过滤效率随着纤维厚度的增加而增大，同时所需压力降也会增大。本文中电纺时间为4 min时，过滤效率高，压力降小。

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责任编辑 郑练

Preparation of Anti-static, Low Resistance and High Efficient Electrospun Submicron Fiber based on Composite Purification Material

ZHANG Xiaoling1,3, LIU Taiqi1,2

(1.Research Center of Ecomaterial, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;2.Aerospace Materials Research Institute, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;3.College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

A novel composite air purification material with high filtering efficiency, low resistance and anti-static adsorption properties is prepared. The intermediate layer of the material is submicro-fiber membrane, and the upper and lower layers are high temperature resistant glass fiber materials and pre-filtration layer industrial fiber respectively. The resistivity and filtration efficiency of this composite material is analyzed. The results show that the filtration efficiency for particles of 2 μm can reach 99.93%, while the pressure is only 490 Pa. A certain proportion of carbon black particles is added in the sandwich layer fibers to improve the electrostatic property of the material. The resistivity of this sandwich purification material significantly reduces from 5.8×1010Ω·m to 6.0×109Ω·m after the addition of 5% nano-carbon black particles in the inner submicro-fiber membrane, and this is the reason that the electrostatic property of the sandwich material has been improved.

purification material, high efficiency and low resistance, conductive particles, anti-static property

TQ 34

A

张晓玲(1991-)，女，硕士研究生，主要从事纳米材料等方面的研究。

刘太奇

2016-06-24