基于环境因素的驻极熔喷布及静电纺丝膜性能研究

王明芳 周 凤

（常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州213164）

静电纺丝（简称电纺）工艺参数的改变可制备直径范围在纳米至亚微米的超细纳米纤维膜，电纺膜比表面积较大、吸附能力较强，防护过滤性能好，电荷储存能力强；驻极熔喷布的纤维越细比表面积越大，吸附效果就越好，驻极熔喷布电荷储存时间虽长，但电荷会因外界环境因素散失而降低过滤性能。研究环境温度、湿度、化学物质等因素对滤材电荷的衰减有助于分析环境对滤材过滤性能的影响。

1 实验材料

选用企业工业化生产的2种面密度的电晕驻极PP熔喷布（1#样单位面积质量为25.6g/m2、2#样单位面积质量为32.0g/m2），纤维直径分布在2～7μm；纳米纤维膜强力低,实验室自制2种面密度的纳米纤维层与基布驻极熔喷布复合膜（3#样、4#样）。

1.1 实验室自制静电纺丝复合膜

通过对聚丙烯腈溶液施加外加电场，受库伦斥力的带电液滴克服表面张力形成喷射细流来制备纳米纤维，在喷射过程中,溶剂迅速蒸发,细流固化成超细纤维落在接收装置的驻极熔喷布上形成无序状的纤维膜。

1.1.1 试纺材料及装置

试纺材料：（1）聚丙烯腈（PAN，相对分子量15000），苏州辉通旺塑化有限公司提供；（2）N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂，山东德彦化工有限公司提供；（3）基布：基布为面密度12.5g/m2的驻极熔喷布，透气率为485mm/s，过滤效率22%，阻力32.8Pa。

试纺仪器：（1）恒温磁力加热搅拌器；WZ-50C6微量注射泵；万分位电子天平；YG141D数字式织物厚度仪；塑料镊子；注射器20mL；（2）DW-P303-3ACCC高压直流电源，输出电压在0～50kV可调，电流50mA；

实验室自制静电纺丝装置如图1，高压静电加在喷头上，通过调节流量泵压力控制流速；接收板接地，在喷头和接收板之间形成一个电场，接收板上放置聚丙烯（PP）熔喷纤维布作为基布接受纤维喷射流。

图1 实验室自制试验静电纺丝装置

1.1.2 试纺样品

为测试分析样品性能，采用前期试纺研究得到的最佳工艺参数，设计单因素纺丝工艺制取纤维膜，固定电压在20kV，实验中配置10%质量分数溶液放置在磁力搅拌器上，常温搅拌得到均匀透明且无气泡的纺丝溶液，注入到注射器中；喷丝头与收集板之间距离为150mm；纺丝液流速0.8mL/h。设计纺丝时间，获取电纺膜样品，选取纳米层的纤维直径约为250～500nm，纳米纤维层面密度1.0g/m2为3#样，选取纳米纤维层面密度2.2g/m2为4#样。

2 环境因素变化对性能的影响

选用纳米纤维层与基布驻极熔喷布复合膜及驻极熔喷布为研究对象，模拟存放环境，探讨环境温度、湿度、存放时间及乙醇对1#、2#、3#、4#样品表面静电、透气性能、过滤性能、气流阻力的影响。

2.1 预处理

将试样放入FAST恒温烘箱中，设定一温度恒温处理30min，自然冷却；将试样放入可程式恒温恒湿箱中，设定一湿度恒湿处理60min；乙醇处理；试样放置一定时间。

2.2 测试

气溶胶颗粒物的过滤效率是检测口罩的一项重要指标，依据《GB19083-2010医用防护口罩技术》要求，防护等级为1级的口罩对于盐性气溶胶颗粒物过滤效率≥95%，过滤效率≥99%为2级，过滤效率≥99.97%为3级。在气体流量为85L/min情况下，口罩的吸气阻力不得超过343.2Pa。对经过预处理的试样按国标进行静电、透气性及过滤性能测试。使用YG342N感应式织物静电测试仪及HX-8220表面抵抗试验机测试样品静电性能；参考标准GB/T5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用南通宏大实验仪器有限公司的YG461N型透气性测试仪，在测试面积为20cm2、试样压差为100Pa的试验条件下测试样品透气率；使用温州方圆仪器有限公司FYY268-II颗粒物过滤效率测试仪测试电纺膜及驻极熔喷布的过滤效率和过滤阻力，在气体流速为85L/min的盐性气溶胶颗粒（NaCl溶液中Na－Cl的质量分数为2%）的试验条件下，测试4种样品的颗粒过滤效率及气流阻力。

3 结果与分析

1#—4#原样过滤性能见表1，纳米纤维层面密度为2.2g/m2的过滤效率最高且滤阻满足医用防护品等级要求。

表1 1#—4#原样过滤性能

3.1 温度影响

四块样品都随着温度的升高而出现峰值静电衰减（图2），在试验温度37℃、60℃时的衰减率明显小于实验温度达到70℃以后的衰减率，这是因为随着温度的升高，从浅阱中逐步释放出的电荷逸出或被深阱重新捕获。

图2 环境温度改变时样品静电值

3.2 湿度影响

随着环境湿度的增加，样品的静电衰减变大（图3），复合膜的衰减大于驻极熔喷布，相对湿度小于50%时峰值静电较稳定，相对湿度50%以下的湿度环境有利于电纺膜及驻极熔喷布电荷的储存，口罩在佩戴时也会因积累水份而加快电荷的散失。

图3 环境湿度改变时样品静电值

3.3 存放时间

实验样品选择常温条件存放，测试其间隔一定时间的静电散失情况（图4），随着存放时间的延长，电荷呈减少趋势。

图4 存放时间对样品静电影响

图5 静电衰减对过滤性影响

3.4 环境介质

对四块样品均匀喷洒不同质量分数的乙醇，滤材中的电荷迅速衰减，质量分数越大电荷衰减越快，这是因为溶剂分子会使聚合物发生轻微溶胀，破坏滤材中的陷阱而加速材料中电荷的释放。

3.5 静电对样品过滤效能及透气性的影响

电晕驻极熔喷布、电纺复合膜均因静电荷衰减而使过滤效率下降，但纳米电纺复合膜仍能保持较高的过滤效率，电晕驻极熔喷布在静电荷散失后过滤效率下降较多。电晕驻极熔喷布的过滤机理分为机械过滤和静电吸附，纤维直径在4～10μm，对细小颗粒物的过滤效果并不理想，静电散失后很难通过机械作用过滤掉0.3μm左右的颗粒；纳米电纺膜的纤维直径小（250～500nm），较大的比表面积，能过滤掉更小粒径的盐性气溶胶。

高温、高湿、长时间存放对样品的透气性影响较小，这是因为滤材的三维纤维结构具有良好的透气性；乙醇对样品的过滤性能影响较大，此条件下透气性的研究已不具备意义。

4 总结

（1）在熔喷布表面复合了纳米纤维后，透气性下降，但随着纳米膜面密度的增加，复合纳米纤维膜的过滤效率显著增加；电荷衰减对复合膜过滤效率的降低程度好于PP驻极熔喷布，纳米纤维层的孔径小，基布与纳米层复合后过滤性能的提高主要取决于纳米纤维的性能。

（2）PP驻极体有较好的电荷耐久性，但电荷随温度、环境湿度和时间的增加逐渐衰减，过滤效率也会相应下降，高温、高湿环境都不宜存放PP驻极熔喷布。

（3）使用过程中，为增加滤材静电荷的稳定性和保证口罩的过滤效率，应避免高温高湿的存放环境，不使用乙醇消毒。