電紡復(fù)合空氣過濾材料的制備及性能研究

電紡復(fù)合空氣過濾材料的制備及性能研究

近年來，中國(guó)霧雨氣候頻繁，城市空氣中的pm。靜電紡納米纖維制成的過濾材料具有質(zhì)量輕、比表面積大、孔隙率高、孔徑極小等特點(diǎn)本文先制備不同聚丙烯腈（PAN）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的紡絲液，在相同的紡絲電壓條件下，通過靜電紡絲法制成一層很薄的納米纖維膜，然后將其直接沉積在熔噴、針刺和熱軋非織造材料表面制成復(fù)合空氣過濾材料。通過對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、纖維直徑、孔徑和過濾性能等進(jìn)行表征，探討接收材料類型、紡絲液中PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)和接收時(shí)間對(duì)復(fù)合材料過濾性能的影響，為制備高效低阻的空氣過濾材料提供參考。1試驗(yàn)部分1.1化學(xué)試劑：越經(jīng)貿(mào)有限公司PAN（相對(duì)分子質(zhì)量為150000，上虞吳越經(jīng)貿(mào)有限公司）；二甲基甲酰胺（DMF，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純）。采用熔噴、針刺和熱軋3種非織造材料與靜電紡納米纖維進(jìn)行復(fù)合。1.2pan納米纖維的制備采用FM-1302型靜電紡絲設(shè)備（北京富友馬有限公司），該設(shè)備配置了旋轉(zhuǎn)收集輥。將接收材料裁剪成尺寸為20cm×35cm的長(zhǎng)方形，卷繞在收集輥上。在高壓電場(chǎng)作用下，制成的PAN納米纖維直接沉積在接收材料表面，通過收集輥的不斷旋轉(zhuǎn)，保證納米纖維在接收材料表面均勻分布。接收距離為11cm，噴絲頭橫向移動(dòng)速度為12cm/min，收集輥轉(zhuǎn)速為300r/min，紡絲流量為7mL/h，統(tǒng)一使用內(nèi)徑為0.45mm針頭，紡絲電壓設(shè)定為18kV，溫度為（25±2）℃，相對(duì)濕度為（60±5）%。通過改變紡絲液PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)（12%、14%和16%）和接收時(shí)間（15、30min），將靜電紡納米纖維分別與熔噴、針刺和熱軋3種接收材料復(fù)合。1.3復(fù)合過濾材料纖維直徑采用日本電子的JSM-IT300A型掃描電子顯微鏡（SEM），觀察復(fù)合過濾材料的纖維表面形態(tài)，并用圖像分析軟件（Image-ProPlus6.0）測(cè)試?yán)w維直徑，每個(gè)試樣測(cè)300根。1.4過濾性能測(cè)試測(cè)試設(shè)備：LZC-K1型濾料綜合性能測(cè)試臺(tái)（蘇州華達(dá)儀器設(shè)備有限公司）。測(cè)試臺(tái)采用多分散試驗(yàn)氣溶膠（NaCl）進(jìn)行定量控制發(fā)塵，在潔凈氣流作用下（負(fù)壓式），通過對(duì)被試濾料上下游的氣溶膠粒子和壓差測(cè)點(diǎn)采樣，從而獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，得到濾料的過濾效率及過濾阻力。氣溶膠平均粒徑為0.3μm，質(zhì)量中值直徑為0.26μm，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差<1.83，流量為32L/min。在過濾性能測(cè)試過程中，保證氣溶膠先通過非織造材料，然后再通過靜電紡納米纖維膜。增加過濾材料厚度、降低纖維直徑、減小孔徑等方式都能提高產(chǎn)品的過濾效率，但過濾阻力也隨之增加式中：η為過濾效率；Δp為過濾阻力，即壓差。1.5孔徑特征測(cè)試測(cè)試設(shè)備：PMICFP-1100AI型孔徑分析儀（PMIPorometer）。此設(shè)備采用泡點(diǎn)法測(cè)試過濾材料孔徑特征。將試樣浸入在表面張力已知的潤(rùn)滑劑中，然后放入試樣室內(nèi)固定，加壓使氣體分別通過干燥狀態(tài)和潤(rùn)濕狀態(tài)時(shí)的孔洞，計(jì)算此時(shí)通過孔徑的氣體壓力和氣流的變化，統(tǒng)計(jì)過濾材料孔徑分布情況及其孔徑大小。2結(jié)果與分析2.1復(fù)合材料的形貌纖維直徑、材料的孔徑及孔隙率是影響材料過濾性能的主要因素。靜電紡納米纖維與接收材料的復(fù)合，納米纖維直徑越小，材料填充得越均勻密實(shí)，孔徑越小，過濾效率越高。除此之外，接收材料結(jié)構(gòu)越緊密，纖維直徑越小，比表面積越大，越容易使得靜電紡納米纖維均勻分布，進(jìn)一步降低材料平均孔徑，提高過濾效率。本文分別采用熔噴、針刺和熱軋非織造材料為接收材料，與靜電紡納米纖維制成復(fù)合空氣過濾材料。3種接收材料的基本性能如表1所示，其SEM圖如圖1所示。由表1和圖1可知：熔噴非織造材料的面密度、厚度和纖維直徑最小，孔隙率高，孔徑??；針刺非織造材料結(jié)構(gòu)最蓬松，其面密度和厚度最大；熱軋非織造材料纖維直徑最大，孔隙率低，孔徑大。由于圖1中3種材料的放大倍數(shù)一樣，因此視野中的面積相同。在相同面積下，纖維越細(xì)，纖維根數(shù)越多，形成的孔隙數(shù)量越多，孔徑越小。本試驗(yàn)在紡絲電壓為18kV條件下，采用PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、14%、16%的紡絲液進(jìn)行靜電紡絲，制成的納米纖維SEM圖及直徑分布如圖2和3所示。由圖2和3可知：當(dāng)PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)獲得的纖維平均直徑最??；在相同紡絲工藝參數(shù)條件下，隨著紡絲液中PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維平均直徑將會(huì)增加，直徑分布寬度增加。2.2接收時(shí)間對(duì)復(fù)合材料細(xì)復(fù)合材料的制備試驗(yàn)方案和過濾性能結(jié)果如表2所示，其中，A、B、C分別為未處理的熔噴、針刺和熱軋非織造材料，A當(dāng)其他工藝參數(shù)相同時(shí)，隨著紡絲液中PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維直徑增加，比表面積降低，復(fù)合材料的平均孔徑增加，其過濾效率隨之減小。與未處理的接收材料相比，復(fù)合材料的過濾效率顯著提高，但過濾阻力也隨之增加。由表2可知，當(dāng)其他工藝參數(shù)相同時(shí)，接收時(shí)間越長(zhǎng)，復(fù)合材料中的納米纖維數(shù)量越多，材料填充得越密實(shí)，過濾效率越高，但是較長(zhǎng)的接收時(shí)間使得材料的過濾阻力也大幅增加，最終導(dǎo)致接收時(shí)間為30min的復(fù)合材料品質(zhì)因數(shù)普遍低于接收時(shí)間為15min的復(fù)合材料。因此，為提高復(fù)合材料的綜合過濾性能，應(yīng)選擇合適的紡絲時(shí)間來制備高效低阻空氣過濾材料，保證過濾效率≥95%和過濾阻力≤100Pa。非織造材料與靜電紡納米纖維復(fù)合能顯著提高其過濾性能，但非織造材料本身的結(jié)構(gòu)和纖維直徑也會(huì)影響復(fù)合材料的過濾性能。3種復(fù)合材料中，靜電紡/熔噴復(fù)合材料的過濾效率和平均品質(zhì)因數(shù)最高，其次為靜電紡/針刺復(fù)合材料，而靜電紡/熱軋復(fù)合材料最低。由于熔噴材料纖維平均直徑為2.39μm，孔隙率高，孔徑小，因此，在未經(jīng)處理的3種材料中，熔噴材料A的過濾效率最高，為48.83%，與靜電紡納米纖維復(fù)合后，形成的復(fù)合材料孔徑更小，提高了過濾效率。除試樣A2.3復(fù)合材料的孔徑在相同紡絲工藝參數(shù)條件下，接收時(shí)間為15min的復(fù)合材料品質(zhì)因數(shù)均高于接收時(shí)間為30min的復(fù)合材料，因此選取部分接收時(shí)間為15min的靜電紡復(fù)合材料進(jìn)行孔徑測(cè)試。未經(jīng)任何處理的3種接收材料，即試樣A、B、C的平均孔徑分別為16.11、49.92、81.81μm，與靜電紡納米纖維復(fù)合后的材料平均孔徑顯著減小。5種試樣的孔徑分布如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)接收材料均為熔噴非織造材料時(shí)，隨著紡絲液中PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維直徑增加，復(fù)合材料平均孔徑增大，孔徑分布寬度增加。由于3種接收材料加工工藝及其纖維直徑的差異，使得平均孔徑由小到大依次為熔噴、針刺、熱軋，因此，當(dāng)PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為12%時(shí)，3種接收材料與靜電紡納米纖維復(fù)合后的試樣平均孔徑和孔徑分布寬度依然遵循此規(guī)律。其中，當(dāng)接收材料為熔噴非織造材料時(shí)，即試樣A3復(fù)合材料的過濾性能(1）熔噴、針刺和熱軋3種非織造材料與靜電紡納米纖維復(fù)合后，復(fù)合材料的過濾效率顯著提高，但過濾阻力也隨之增加。在其他工藝參數(shù)相同條件下，接收時(shí)間為15min的復(fù)合材料品質(zhì)因數(shù)普遍高于接收時(shí)間為30min的復(fù)合材料，因此合理控制靜電紡絲時(shí)間可有效提高復(fù)合材料的綜合過濾性能。(2）當(dāng)其他工藝參數(shù)相同時(shí)，隨著紡絲液中