天丝空气滤纸的制备及其性能研究

路铠嘉 赵传山 李 霞 丁其军

摘要：本研究选取打浆度为23°SR天丝纤维与阔叶木纤维为原料配抄制备滤纸，通过浆内添加发泡剂和表面涂布纤维素纳米纤丝（CNF）的方法优化滤纸的过滤性能，并对滤纸的物理及过滤性能等进行了研究。结果表明，当天丝纤维质量分数为60%时，制备的滤纸对 PM2.5的过滤效率达98.97%，过滤阻力为146.7 Pa，品质因子为0.3119 Pa1，此时滤纸过滤性能最佳。

关键词：天丝纤维;空气滤纸;纳米纤维素;发泡剂;过滤性能

中图分类号： TS767  文献标识码： A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2022.02.003

Study on Preparation and Performance of Tencel Composite Air Filter Paper

LU Kaijia  ZHAOChuanshan*   LI Xia  DING Qijun

（State Key Lab ofBio-based Materials and Green Papermaking，Qilu University of Technology（Shandong Academy ofSciences），Jinan，Shandong Province，250353）

（*E-mail：ppzcs78@163. com）

Abstract：In this study，the air filter paper was prepared using the Tencel fiber（beating degree 23°SR） as the raw material together with hardwood fiber improving the strength of air filter paper. The filtration performance of the prepared filter paper was then optimized through adding foaming agent in the pulp and coating cellulose nanofilament（CNF） on the surface and the physical and filtration performance of the air filter paper were further studied. The results showed that the air filter paper with Tencel fiber mass fraction of 60% possessed a filtration efficiency for PM2.5 of 98.97%，a decreased resistance pressure of 146.7 Pa，and a quality factor of 0.3119 Pa1，exhibiting the best filtra?tion performance.

Key words：tencel fiber; air filter paper; nanocellulose;foaming agent; filtration performance

近年来，空气污染日益严重，特别是空气中颗粒物（PM）的存在，对人体健康造成了极大的威胁，引起了公众的广泛关注。颗粒物的主要成分为硫酸盐、硝酸盐、氯化物、有机碳、元素碳、铁、钙等化学污染物，主要来源为汽车尾气排放、燃煤、工业排放和农业燃烧等[1-2]。PM2.5是指空气动力学当量直径小于2.5μm 的细颗粒物，可以在环境空气中较长时间地悬浮，并进入人的支气管和肺部，导致严重的呼吸系统和心血管疾病[3-4]。因此，研究并改善对PM2.5细颗粒物具有高去除率的空气过滤材料及其性能已成为一个重要的方向。

纤维过滤式空气过滤材料利用纤维在成形时的独特杂乱堆积，形成复杂的纤维网络结构，当含尘气流通过时，细微颗粒会被纤维拦截在外，从而达到对空气的清洁[5]。其主要的过滤机理有5种：拦截效应、惯性沉积、扩散效应、重力沉积和静电吸附[6-8]。由于纤维过滤材料对细微颗粒的去除是上述机理共同相互作用的结果，并不是单一的叠加，因此纤维的复杂网络结构能截留远比其孔径小得多的细微颗粒[9]。目前，纤维过滤式空气过滤材料的制备方法主要有静电纺丝和造纸湿法成形两种[10]。Wang等人[11]通过将SiO2纳米粒子加入到聚丙烯腈（PAN）电纺溶液中，制成了具有多层结构的纳米纤维膜，有效地降低了纤维膜的过滤阻力，并同时提高了纤维膜的过滤效率。顾广东等人[12]通过控制不同的电纺时间制备了不同厚度的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维膜，探究了纤维膜厚度与过滤效率的关系。Xiong等人[13]在棉浆纤维中添加羟基磷灰石超长纳米线，通过湿法成形后真空抽滤制备了多孔空气滤纸，对PM2.5的过滤效果高达95%以上，同时有较低的阻力与厚度。

造纸湿法成形是以造纸工艺为基础，将纤维混合悬浮液通过纸页成型器经成形、干燥等一系列处理后制得滤纸材料[14]。相较于静电纺丝，造纸湿法成形制备的过滤材料强度较高，不易被破坏，有较稳定的物理化学性能。不同的纤维原料与处理方法会赋予过滤材料不同的性能。因此，造纸湿法成形制备过滤材料在空气净化领域有广阔的应用前景[15]。

天丝纤维是一种再生纤维素纤维，具有较高的聚合度和纤维强度，有着优异的透气性、吸湿性、生物可降解性等，且易于原纤化[16-17]。天丝纤维经过打浆处理后，适合抄造对透气性能、过滤性能、强度性能有一定要求的PM2.5滤纸[18]。本研究通过对天丝纤维进行原纤化处理，探究其最佳处理程度，并与阔叶木纤维进行配抄，改善滤纸强度性能。在此基础上，通过发泡剂与纳米纤维素调控滤纸的松厚度和孔径，并对滤纸的过滤性能、表面形貌、孔径大小和物理性能进行了分析测试，该滤纸有望应用于PM2.5口罩或空气滤清器中。gzslib202204041550

1 实验

1.1 实验原料

天丝纤维，长度5 mm，粗度1.7 Dtex，打浆度      11°SR，奥地利Lenzing公司;阔叶木浆板（27°SR），大连扬润贸易有限公司;聚酰胺环氧氯丙胺树脂（PAE），质量分数12.5%，山东同创化工有限公司;纤维素纳米纤丝（CNF，直径3～30 nm、长度300 nm 至几微米），北方世纪纤维素材料有限公司;发泡剂，济南赛沃贸易有限公司。

1.2 天丝纤维原纤化处理

取40 g 绝干天丝纤维，加水至浆浓10%，浸泡4 h后，进行PFI磨浆处理，其中磨浆机间隙为0.5 mm，转数分别为5000、10000、15000和 20000 r，待平衡水分后测定打浆度。分别制得打浆度18°SR、23°SR、30°SR和40°SR 的原纤化天丝纤维。

1.3 天丝滤纸的制备

测定不同打浆度原纤化天丝纤维的水分，用快速凯赛法纸页成型器抄制定量80 g/m2的天丝滤纸，成形后通過平板干燥器干燥。

1.4 滤纸原纸的制备

将天丝纤维与阔叶木纤维配抄制备滤纸原纸，其中天丝纤维的质量分数分别为0、20%、40%、60%、80%、100%，并加入相对混合纤维绝干质量1%的  PAE，用快速凯赛法纸页成型器分别抄制定量80 g/m2 的滤纸原纸，成形后通过平板干燥器干燥。

1.5 滤纸的制备

将天丝纤维与阔叶木纤维配抄，其中天丝纤维的质量分数分别为0、20%、40%、60%、80%、100%，并加入相对混合纤维绝干质量1%的 PAE 和2%的发泡剂，制备定量80 g/m2的滤纸原纸。室温干燥后通过涂布机（XB320D，厦门欣科瑞机械科技有限公司）涂布质量分数为2%的 CNF，室温干燥后，在烘箱中105℃发泡1 min，制得滤纸。

1.6 测试与表征

采用生物光学显微镜（XSP-7CP，上海光密仪器有限公司）分析不同原纤化程度的天丝纤维的纤维形态;采用纸张厚度测定仪（ZHD-4，上海精密仪器有限公司）测定滤纸的厚度，并计算松厚度;采用透气性检测仪（FX-3300，瑞士TEXTEST公司）在500 Pa 压力下检测滤纸的透气性;采用扫描电子显微镜（SEM，Quanta 200，日本FEI公司）分析滤纸的表面微观形貌;采用抗张强度测定仪（ZL-100A，大连纸张试验仪器厂）检测滤纸的抗张指数和湿抗张指数;采用过滤效率试验台（KZXL-01，沈阳紫微恒检测设备有限公司）在32 L/min 的流量下检测滤纸的过滤效率与阻力;采用压汞仪（AutoporeⅣ9500 V9620，美国麦克公司）分析滤纸的孔径分布。

2 结果与讨论

2.1 天丝纤维形态分析

天丝纤维极易原纤化，因其具有独特的皮芯层结构，当被水浸润一定时间后皮层软化，在机械外力作用下，皮层被破坏，因为芯层的原纤之间联系较弱，于是发生剥离，得到原纤化天丝纤维[19]。

制备不同原纤化程度天丝纤维的纤维形态如图1所示。由图1可知，未经打浆的天丝纤维表面光滑且圆润，未见任何分支，若直接抄纸，仅靠纤维简单搭接在一起，成形的纸张强度性能差，难以充当滤纸材料。经过打浆处理的天丝纤维表面出现细小分支，且随着打浆度的提升，纤维分丝帚化越来越明显，纤维表面暴露出的羟基越多，使氢键结合越多，纤维之间的结合也越紧密。这样纤维抄造的滤纸强度性能好，且孔径尺寸更小，有利于提高滤纸的过滤效率。

2.2 打浆度对天丝滤纸过滤性能的影响

透气度是空气过滤材料的重要性能指标之一，同时也间接反应过滤效率的高低。不同打浆度的天丝滤纸的透气度如图2所示。由图2可以看出，随着打浆度的升高，天丝滤纸的透气度不断下降。其中未经打浆处理的天丝滤纸因其光滑的纤维之间结合力较小，滤纸的孔径较大，所以透气度较高，达3220 L/（m2·s）。而经过打浆处理的天丝滤纸中，在打浆度到23°SR前透气度急剧下降，18°SR 和23°SR 的天丝滤纸透气度分别为1580和485 L/（m2·s）;30°SR 和40°SR 的天丝滤纸透气度下降幅度较小分别为153和 51.2 L/（m2·s）。这是因为随着打浆度的提升，天丝纤维的分丝帚化越来越明显，纤维之间相互交叉缠绕，形成了复杂的纤维网络，减小了纤维之间孔隙的大小，使滤纸的透气度逐渐下降。

过滤效率和过滤阻力是测评过滤材料过滤性能最重要的2个指标，所以在追求高效率的同时，也要求尽可能地降低材料的阻力。不同打浆度天丝滤纸的过滤效率与阻力如图3（a）所示。由图3（a）可知，随着打浆度的提升，天丝滤纸的过滤效率与过滤阻力都随之升高。其中未经处理的天丝滤纸阻力极低，仅85.3 Pa，但其相应的PM2.5过滤效率也较低，仅50.23%;而经原纤化处理的打浆度分别为18°SR、23°SR、30°SR 和40°SR 的天丝滤纸过滤效率分别为62.36%、70.21%、75.41%和 78.63%，过滤阻力分别为100.6、120.4、154.7和170.2 Pa。这是因为高打浆度的天丝纤维分丝帚化程度更高，形成的纤维网络更加致密，提高了滤纸的过滤效率，同时也加大了过滤阻力。

品质因子（QF ，Pa1）是综合测评滤纸过滤效率与过滤阻力的1个指标，通常来说，品质因子的数值越大，表明滤纸的过滤性能越好[20]。见式（1）。

式中，ΔP 是滤纸的过滤阻力;η是滤纸的过滤效率。

不同打浆度的天丝滤纸的品质因子如图3（b）所示。从图3（b）可以看出，当天丝纤维打浆度为23°SR 时天丝滤纸的过滤性能最佳，因此选取打浆度23°SR 的天丝纤维与阔叶木纤维配抄进行后续实验。gzslib202204041550

2.3 滤纸过滤性能分析

天丝纤维与阔叶木纤维以不同比例配抄，所制滤纸原纸的过滤效率与过滤阻力如图4（a）所示。由图4（a）可知，随着天丝纤维质量分数的上升，滤纸原纸对 PM2.5的过滤效率与阻力均有所下降。这是因为阔叶木纤维短且细，纤维之间互相交错且结合紧密，形成的纤维网络更密集，孔隙更小。当天丝纤维质量分数为0时，滤纸原纸对 PM2.5的过滤效率最高，达88.56%，但同时具有335.5 Pa 的高过滤阻力。天丝纤维的加入降低了滤纸原纸的过滤阻力，但同时牺牲了高过滤效率。通过品质因子综合测评配抄滤纸原纸的过滤性能，如图4（c）所示。从图4（c）可以明显看出，当天丝纤维质量分数为60%时，滤纸原纸具有最佳的过滤性能，其品质因子为0.0106 Pa1，过滤效率为83.67%，过滤阻力为170.2 Pa。

为了提高滤纸原纸的过滤效率，同时降低其过滤阻力，通过表面涂布 CNF 和添加发泡剂制备滤纸，滤纸的过滤效率与过滤阻力如图4（b）所示。由图4（b）可知，与滤纸原纸的趋势相同，滤纸的过滤效率与阻力随天丝纤维质量分数的升高均有所下降。但滤纸的过滤效率较滤纸原纸均有所提升，同时，其过滤阻力也有所下降，达到了理想的处理效果。这是因为滤纸表面涂布的纳米纤维素填补了其表面的一些较大孔隙，当含尘气流通过滤纸时，粒径较大的颗粒物无法通过滤纸的孔隙，就像筛子一样被纤维直接截留，从而提高了滤纸的过滤效率[21]。同时，滤纸浆内添加的发泡剂能使对象物质成孔，其经过加热后通过压缩气体的膨胀，可使纤维内部结构变得蓬松，增加滤纸的松厚度，从而降低滤纸的过滤阻力。并且更加复杂的纤维网络结构使纤维无序堆叠产生的弯折孔道增加，含尘气流在通过滤纸内部时，在弯折孔道作用下不断改变其气流流动轨迹，其中一些细微颗粒因其自身惯性作用脱离气流而被纤维捕获，从而提升了滤纸对 PM2.5的过滤效率。通过图4（d）可看出，天丝纤维质量分数为60%的滤纸品质因子值最高，达到了0.0312 Pa1，其对 PM2.5的过滤效率为98.97%，过滤阻力为146.7 Pa，拥有最佳的过滤性能。

2.4 微观形貌分析

使用 SEM 对天丝纤维质量分数60%的滤纸原纸和滤纸进行了表面与截面的形貌表征，如图5所示。由图5可知，滤纸原纸表面天丝纤维与阔叶木纤维缠绕堆积形成的纤维网络孔隙较大，不利于表面拦截细小颗粒物;相比较而言，涂布质量分数2% CNF 的滤纸表面，CNF填补了纤维之间的较大孔隙，提高了滤纸表面拦截细小颗粒物的能力，进而提升了其过滤效率。未经发泡的滤纸原纸的截面结构较为紧致，阻力较大;而发泡后的滤纸截面，可明显看出其结构更加蓬松，松厚度更大，因此优化了滤纸的过滤性能。

2.5 孔隙分析

天丝纤维质量分数60%的滤纸原纸和滤纸的孔径分布如图6所示。由图6可知，滤纸原纸的孔径主要分布在25～50μm，占比42.97%，10μm 以内的孔径占比仅为8.23%;相比较而言，滤纸的孔径主要分布在10～25μm，占比为48.46%，10μm 以内的孔径占比为16.37%，几乎是滤纸原纸的2倍。孔径大小是滤纸过滤性能的间接反映指标;一般来说，孔径越小，则其过滤效率越高。滤纸因其表面涂布的纳米纤维素填补了一些较大的孔隙，因此具有更低的孔径，过滤效率也更高。滤纸原纸和滤纸的孔径特征如表1所示，滤纸原纸的平均孔径31.24μm，孔隙率73.35%;而滤纸的平均孔径仅有12.83μm，且具有较高的孔隙率80.78%。因其经过发泡后，纤维内部结构蓬松，孔隙增多，具有更好的过滤性能。

2.6 物理性能分析

抗张指数与湿抗张指数表示纸张在干燥和湿润情况下的强度性能，主要由纤维本身的强度与纤维之间的结合强度决定。图7（a）和图7（b）分别为不同天丝纤维质量分数的滤纸原纸和滤纸抗张强度。从图7（a）和图7（b）中可以看出，阔叶木纤维的添加有效增加了滤纸原纸的强度，因其纤维间的结合更加紧密，随着天丝纤维质量的提高，滤纸的抗张指数与湿抗张指数均有明显下降。对比两者，滤纸的抗张强度和湿抗张强度都高于滤纸原纸，这是因为纳米纤维素作为涂料改善了滤纸的强度[22-24]。图7（c）为不同天丝纤维质量分数的滤纸原纸和滤纸的松厚度，发泡后的滤纸显然松厚度更大，因此拥有更好的过滤性能。

3 结论

本研究以天丝纤维和阔叶木纤维为原料，添加发泡剂和涂布纤维素纳米纤丝（CNF），制备用于过滤 PM 2.5的空气滤纸，并研究了其性能。

3.1 天丝纤维经过原纤化处理后，当其打浆度为23°SR 时，通过造纸湿法成形制备而成的天丝滤纸具有 485 L/（m2·s）的透气度和最优的过滤性能，可用于抄造PM2.5空气滤纸。

3.2 通过天丝纤维与阔叶木纤维配抄提升了滤纸的强度，当天丝纤维质量分数为60%时，滤纸原纸对 PM2.5的过滤效率为83.67%，过滤阻力为170.2 Pa，品質因子为0.0106 Pa1，拥有较好的过滤性能。

3.3 通过浆内添加发泡剂和表面涂布 CNF 增加了滤纸的物理性能，且其物理性能高于滤纸原纸的，减小了滤纸的孔径，优化了滤纸的过滤性能。当天丝纤维质量分数为60%时，滤纸对 PM2.5的过滤效率为98.97%，过滤阻力为 146.7 Pa，品质因子为 0.0312 Pa1，过滤性能最佳。

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