口罩熔喷布的替代品综述

马 越 李雪梅 屠慕欣 孙 悦 东 旭

（辽东学院，辽宁丹东118000）

一、静电纺丝原理

静电纺丝不同于传统的纺丝加工技术，其主要是借助于高压静电场使聚合物溶液或熔体带电并发生形变，在喷头末端处构成悬垂的锥状液滴，当液滴外表的电荷斥力超越其外表张力时，在液滴外表就会高速喷射出聚合物细小液体流，简称“射流”。这些射流在一个较短的间隔内经过电场力的高速拉伸、溶剂蒸发与固化，最终沉积在接纳板上，构成聚合物纤维[1-2]。

二、静电纺纤维膜在过滤领域的应用

纤维过滤器由于其结构简单和材料成本低而被广泛应用于过滤领域。早在第一次世界大战时就出现了以石棉纤维作为滤料的防毒面具[3]。通常情况下，过滤效率与过滤材料中纤维的细度有紧密的关系，当纤维直径≤0.5μm时，在压降不变的前提下，可有效提高纤维网的过滤效率。一般非织造无纺基布的纤维直径为12μm，而亚微米纤维直径为250 nm，两者相差约两个数量级。[4]静电纺纳米纤维直径小，比表面积大，孔隙率高，在过滤方面有着广泛的应用前景。根据过滤介质的不同，一般将过滤分为空气过滤和液体过滤，机理就是将杂质截留在膜的表面或者内部以达到净化的目的，本文主要研究其在空气过滤方面的应用。

三、空气过滤

早在2007年Yun[5]等就证实了静电纺纳米纤维膜之商用过滤膜在空气过滤方面有着明显的优势。他们利用静电纺丝的方法制备出了平均直径在270～400nm的聚丙烯腈（PA N）纳米纤维膜。与传统的由聚烯烃和玻璃纤维制成的商用过滤器相比，静电纺制备的纳米纤维直径更均匀。测量纳米颗粒通过过滤器的渗透结果表明，静电纺丝纳米纤维膜制备的过滤器的过滤效率是纳米纤维膜厚度的函数，在与商业过滤器具有相同的过滤效率时，所需要的纤维膜的厚度更小质量更轻。聚酰胺（PA）[6]、聚碳酸酯（PC）、聚醚砜（PES）等多种静电纺丝纳米纤维过滤膜材料也相继被开发出来，其空气过滤性能均超过市场商业用过滤膜。但单一的纳米纤维膜普遍存在着随着纤维膜厚度增加滤效增加，滤阻也成指数增加的问题，随之还有纳米实验证明具有适当材料成分和微观结构的SPI/PVA混合纳米纤维膜可用作新型高性能环保过滤材料。

Choi等通过静电纺丝技术把合成的草药提取物掺入（HEI）纳米纤维及其在抗菌空气过滤中应用有效的空气过滤器，过滤效率为99.99%，对表皮葡萄球菌的抗菌活性为99.98%。实验证明，空气过滤中的草药提取物/聚合物混合纳米纤维可能具有控制室内空气质量以抵抗危险的生物气溶胶的潜力。

四、静电纺丝纳米纤维在过滤方面的优点

（1）纤维直径小，均一性好。提高纤维滤材过滤性能的有效方法之一就是降低其纤维的直径，因为对于由直径数十微米的纤维制备出的纤维过滤器随着纤维直径的降低滤材的过滤效率会得到提高。

（2）小孔径、高孔隙率及高通量。运用静电纺丝技术的纤维孔隙率可达80%～90%，这种结构的滤材在有效地去除亚微米级别以及微米级别的颗粒的同时，对水流只会产生较小的阻碍比。

（3）大比表面积、强吸附力。静电纺纤维有非常大的比表面积，这种结构大大地增加了颗粒沉积在纤维滤材表面的几率，这会对过滤的效果产生巨大的改观。其次，当过滤的颗粒非常小时，这些细小的颗粒会堆积在膜表面，产生所谓的“层效应”，也会使得静电纺丝薄膜的有效孔径尺寸显著下降。

（4）可再生性、节约环保。在实际的过滤过程中，大部分的杂质会留在静电纺丝薄膜的表面，只有其他很少的一部分颗粒会在静电纺薄膜内部和底部沉积，这就决定了该过滤材料方便清洁的特性，它的可持续再生的吸附功能有利于环保要求并会降低成本。

（5）低成本、种类多及工艺可控。静电纺丝已经是高效制备纳米级纤维材料的主要途径之一，它的优点甚多，如可纺物质种类涵盖广、生产制造的装置简单、纺丝成本低廉、纺丝工艺可控等等。静电纺丝技术已经成功制备出多种纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。

目前应用静电纺丝技术的纳米纤维过滤材料已经可以应用于诸多高要求的过滤领域，其对直径在0.3μm以下的颗粒，过滤效率可达到99.97%以上，也由于它出色的过滤精度，该材料具备了广泛应用于电子、生物、医药和防护等领域的前景。

五、电纺丝技术制备的纳米纤维存在的问题及改进

电纺丝技术制备的纳米纤维其缺点在于纤维强力较低，单独使用很难达到力学性能要求，这也导致其使用范围受到限制。姚春梅等采用聚乳酸熔喷非织造布为基布，使用静电纺丝技术制备乳酸纤维，并将其覆盖在基布上，得到了性能优良的过滤材料。此外，静电纺过程中由于溶液黏度、射流电荷密度，溶液表面张力等因素的作用所产生的串珠结构，使纳米纤维的结构变得不均匀，影响着材料的过滤性能，而提高溶液黏度、射流电荷密度和降低表面张力均有利于形成无珠纤维。卢文芸在制备静电纺PVA纤维时发现，添加一定浓度的盐后可以获得直径较小的无珠纤维，这是由于盐的加入使静电纺过程中溶液射流表面电荷密度增加，而电荷的增加有利于增大拉伸力，从而获得较小的纤维珠粒，纤维直径更细。

静电纺纤维的直径不均匀也是普遍存在的缺陷，Demir在研究静电纺聚氨酯纳米纤维材料时发现，在70°C时纺制的纳米纤维的均匀性比在室温时纺的要好得多，这是由于温度越高聚氨酯溶液的粘度越小。室温下，PU的最大可纺浓度为12.8wt%；而在高温下，最大可纺浓度上升到21.2wt%。

六、发展前景

传统口罩使用的材料是熔喷无纺布，是通过驻极工艺的处理，造成的一种静电效应，对颗粒物进行拦截。但是，使用过程中，呼吸所带来的湿度的变化，其过滤效率会发生下降，需要每四个小时更换一次。而纳米纤维隔膜是靠物理作用对颗粒物进行拦截，其对0.3微米的颗粒物的阻隔效率可以达到99%以上，而且不会因为潮湿等原因而失效。纳米纤维膜解决了熔喷布电荷吸附能力会随时间和环境的变化减弱，从而导致过滤功能逐渐衰减的弊端。而这也就是纳米纤维膜代替熔喷布的优势，并且静电纺丝技术制备的纳米纤维直径很小，所以其表面活性和表面能较大，具有良好的保持电荷的能力，增强了纤维的阻隔性和吸附能力，利用纳米纤维的低密度、高孔隙度和大的比表面积还可以做成多功能防护服。这种微细纤维铺成的网带有很多微孔类似于膜的产品，能允许蒸气扩散，也就是所谓的可呼吸性，又能挡风和过滤微细粒子，对气溶胶的阻挡性提供了对生物或化学武器和生物化学有毒性的防护性，而可呼吸性又保证了穿着者的舒适性。与当前大多空气净化器中运用的HEPA(高效过滤膜)比较，一样的过滤作用下，纳米纤维过滤膜的空气通过率更高，膜两边压力差也更小。除了防护方面的优势，静电纺纳米纤维材料经过发展、研究和商业化，已被广泛应用于复合增强材料领域、生物医学材料、电子及光学领域、环境保护领域、能源发电领域的的各个方面,诸如细胞培养、药物释放、导电高分子纳米纤维、有害物质监控、污水处理、柔性传感器、静电消耗等，为现今许多问题的解决提供了新的方向，发挥着极其重要的作用。