靜電紡聚己內酯納米纖維復合濾膜的制備及性能

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2019-09-18 11:37

本文摘要：摘要：通過靜電紡絲方法制備不同質量分數的聚己內酯(PCL)納米纖維，開發高效低阻的納米纖維復合濾膜。利用掃描電鏡(SEM)、透氣性測試儀和自動濾料測試儀測試納米纖維復合濾膜的微觀結構、透氣性能和過濾性能。結果表明，溶液質量分數和紡絲時間對納米纖維濾

　　摘要：通過靜電紡絲方法制備不同質量分數的聚己內酯(PCL)納米纖維，開發高效低阻的納米纖維復合濾膜。利用掃描電鏡(SEM)、透氣性測試儀和自動濾料測試儀測試納米纖維復合濾膜的微觀結構、透氣性能和過濾性能。結果表明，溶液質量分數和紡絲時間對納米纖維濾膜的透氣性和過濾性均有影響。隨著紡絲時間的增大，納米纖維濾膜的厚度增大，其透氣率降低，但過濾效率和阻力壓降都呈現增大趨勢;隨著溶液質量分數的增大，納米纖維濾膜的透氣率先減小后增大，而過濾效率和阻力壓降卻呈現先增大后減小的趨勢。質量分數為14%的PCL溶液紡制10min得到的濾膜和12%的溶液紡制20min得到的濾膜高效低阻，適合作為空氣過濾材料。

　　關鍵詞：納米纖維,濾膜,透氣率,過濾性能,品質因子

納米材料

　　0引言

　　近年來，隨著我國工業化進程的加快和經濟的發展，空氣污染日益嚴重。據2018年生態環境部發布的全國城市空氣質量報告顯示，2018年冬季(2018.10—2018.12)全國338個地級及以上城市平均空氣質量優良天數比例為81.5%，輕度污染天數比例為13.3%，中度污染天數比例為3.2%，重度及以上污染天數比例1.9%。與去年同期相比，優良天數比例上升3.2%，重度及以上污染天數比例上升0.2%。PM2.5平均濃度為46μg/m3，同比下降7.2%。

　　但京津冀及周邊“2+26”城市平均空氣質量優良天數比例只有55.6%，同比下降5.9%，而且空氣質量相對較差的20位城市大部分都分布在河北、河南、山西等北方地區。空氣污染依然是我國一個比較嚴峻的問題。大氣中直徑≤2.5μm的顆粒物統稱為PM2.5，也被稱為可入肺顆粒物，進入人體后會對心血管系統和呼吸系統造成嚴重傷害，從而導致哮喘、心血管疾病、肺癌等疾病[1-2]。

　　傳統的空氣過濾材料纖維直徑粗、孔隙大，只能進行初級過濾，難以滿足對微細顆粒物的有效過濾攔截。加上近年來環境污染加劇，物理、生物、化學污染日益嚴重，普通過濾材料不具備隔絕病毒等微小生物的能力，且產品笨重、透氣透濕性能差，逐漸瀕臨淘汰[3-5]。靜電紡納米纖維具有直徑小，孔隙率高、比表面積大等優勢，可以有效攔阻直徑較小的顆粒物，特別適用于開發空氣過濾材料[6-8]。

　　目前國內外許多學者研究了納米纖維膜的過濾性能，LI等[9]將6nm尼龍纖維(直徑<500nm)電紡在傳統空氣過濾器上，發現納米纖維膜密度的增加或納米纖維直徑的減小，都能提高過濾效率。VITCHULI等[10]將靜電紡超細PA6納米纖維和尼龍/棉織物復合，發現當納米纖維膜厚度增加，過濾效率顯著增加，可達99%以上，但壓力降基本不變，突破了壓力降隨厚度增加而增加的瓶頸問題。

　　PATANAIK等[11]制備了非織造膜-納米纖維-非織造膜三層復合過濾膜，并測試這種濾膜的空氣過濾耐久性，結果表明該復合纖維濾膜的孔徑和過濾效率隨測試時間的增加無明顯變化。

　　肖龍輝等[12]紡制了靜電紡聚丙烯腈納米纖維膜，發現紡絲電壓越大，纖維直徑越小，膜的平均孔徑越小，最小可低至2.7μm，此時過濾效率最佳，高達98.3%。文中利用靜電紡絲技術，以PP無紡布作為基底材料制備了無紡布-聚己內酯(PCL)納米纖維復合濾膜，通過改變溶液質量分數和紡絲時間，制備了納米纖維直徑和厚度不同的復合濾膜，并分析纖維直徑和纖維膜厚度對復合濾膜透氣性、過濾效率和濾阻的影響。

　　1實驗

　　1.1原料與試劑

　　聚己內酯(PCL，平均分子質量80000)，N，N-二甲基甲酰胺(DMF，分析純，天津市科密歐化學試劑開發中心)，二氯甲烷(分析純，天津市科密歐化學試劑開發中心)，PP無紡布(浙江遠帆無紡布有限公司)。

　　1.2儀器掃描

　　電子顯微鏡(SEM，蔡司sigma500)，TSI8130自動濾料檢測儀，YG461Z型全自動透氣性能測試儀。

　　1.3納米纖維復合濾膜的制備

　　配制不同質量分數PCL溶液，利用量筒將DMF和二氯甲烷按照體積比3∶7制成混合溶劑備用，稱取一定質量的PCL固體并倒入溶液配制瓶中，然后加入一定質量的混合溶劑，放置在磁力攪拌器上攪拌24h，配制成質量分數為8%，10%，12%，14%和16%的PCL溶液。

　　將配制好的不同質量分數的PCL溶液抽吸到5mL的注射器中，放置在微量注射泵上，并調節注射泵流速為0.8ml/h，然后將高壓發生器的正極高壓與注射器針頭連接，打開高壓發生器，將電壓調節到15kV，在距離噴絲頭20cm的距離，利用PP無紡布接收PCL納米纖維，制備無紡布-PCL納米纖維復合濾膜。

　　1.4測試與表征

　　1.4.1形貌表征

　　利用導電膠將不同質量分數的純PCL納米纖維膜粘在樣品臺上，將其放在真空鍍膜機里進行噴金處理以提高聚合物樣品的導電性，利用掃描電子顯微鏡觀察納米纖維的形態特征。以納米纖維的SEM圖片為基礎，利用ImageJ軟件隨機選擇50根納米纖維測試纖維的直徑并求取平均值。

　　1.4.2透氣性能測試

　　將試樣均裁剪成25×25cm的正方形，利用YG461Z型全自動透氣性能測試儀測試濾膜的透氣率，設定試樣測試面積為20cm2，實驗壓差為200Pa。

　　1.4.3過濾性能測試

　　采用TSI8130型自動濾料測試儀測試不同PCL納米纖維復合濾膜的氣體過濾性能，將試樣裁剪成14cm×14cm的圓形，氣溶膠顆粒直徑約為75nm，氣體流速85L/min。為了綜合評定不同納米纖維濾膜的過濾性能，計算不同濾膜的品質因子QF=-ln(1-η)/Δp，式中η為過濾效率，Δp為空氣阻力。

　　2結果與分析

　　2.1納米纖維形貌

　　8%的PCL納米纖維直徑很細，且纖維表面有挺多串珠存在，主要原因是當PCL質量分數為8%時，溶液內部的PCL大分子含量較低，大分子鏈的糾纏較少，溶液黏度較低，在電場力作用下，不能形成連續的纖維。

　　而當PCL溶液的質量分數達到10%以后，得到的PCL納米纖維表面光滑無串珠，且隨著溶液質量分數的增加，納米纖維的直徑有略微增加的趨勢。這主要是因為，隨著PCL溶液質量分數的增加，溶液內部大分子的數量增加，溶液黏度增加，射流運動過程中的黏滯阻力增加，在相同的電場拉伸力作用下，射流收到的拉伸力減小，纖維直徑隨之增加[13]。

　　PCL溶液質量分數為8%，10%，12%，14%，16%的PCL納米纖維的直徑分別為154nm，162nm，207nm，223nm，376nm。當PCL溶液質量分數從14%增加到16%時，纖維直徑增加了68.6%，從8%增加到14%時，纖維直徑只增加了44.8%，這是因為PCL溶液質量分數增大，溶液黏度增加較大，導致溶液的粘滯阻力增加較大，射流得不到有效拉伸。因此16%的PCL纖維直徑較大。當PCL溶液的質量分數為10%～14%時，纖維表面光滑無串珠，且纖維直徑較細、較均勻。

　　2.2納米纖維復合濾膜的透氣性能

　　纖維類過濾材料的直徑和厚度影響其孔隙直徑和孔隙率，并最終影響纖維過濾材料的透氣率和過濾效率[14-15]。因此，首先測試了不同質量分數和不同紡絲時間的納米纖維濾膜的透氣率，無論紡絲時間長短，隨著PCL質量分數的增加，PCL納米纖維濾膜的透氣率呈先減小后增加的趨勢，即質量分數為8%和16%的PCL納米纖維濾膜的透氣率比較高，透氣性比較好。

　　因為當PCL質量分數為8%時，纖維表面有一些串珠存在，導致納米纖維膜不同層之間的間隔大，纖維分布稀疏，透氣率較高。另外，8%的PCL納米纖維直徑最小，纖維的比表面積較大，纖維濾膜的孔隙率較高，透氣率較高。JIN等[16]研究發現，纖維過濾膜厚度一定時，濾膜的孔隙率與纖維直徑成反比。

　　而質量分數為16%的PCL納米纖維濾膜，因為其纖維直徑較粗，且纖維直徑分布不均勻，導致纖維膜孔隙尺寸較大，透氣率增加。實驗還制備了不同質量分數的聚丙烯腈(PAN)納米纖維濾膜，并測試其過濾性能，其結果與本文研究結果類似，其透氣率隨質量分數的增加也呈現先減小后增大的趨勢[17]。

　　不同PCL溶液質量分數條件下，隨著紡絲時間的增加，纖維量增加，層疊狀態越復雜，不僅導致纖維更加緊密而使孔隙更小，也使纖維濾膜厚度增加，氣體更難透過濾材，透氣率下降，透氣性變差。

　　2.3納米纖維復合濾膜的過濾性能

　　過濾效率和阻力壓降是過濾材料的最重要的性能指標之一，直接決定了材料的應用性能[18-19]。不同質量分數和不同紡絲時間的PCL納米纖維濾膜的過濾效率和阻力壓降，不同紡絲時間條件下，隨著PCL納米纖維的質量分數從8%上升至16%，PCL納米纖維濾膜的過濾效率基本呈現先增加后減小的趨勢。

　　質量分數為8%和16%的PCL納米纖維濾膜的過濾效率較差，這主要是因為8%的PCL納米纖維表面存在串珠，纖維間的孔隙較大，對氣溶膠顆粒物的阻隔作用較小，過濾效率較低;16%的PCL納米纖維直徑較粗，濾膜的孔隙尺寸較大，過濾效率較低。而10%～14%的PCL納米纖維直徑較小，且分布比較均勻，纖維膜對氣溶膠顆粒物的阻隔作用較大，過濾效率較高。

　　不同溶液質量分數的納米纖維復合膜對氣溶膠顆粒物的過濾效率隨紡制時間的加長而有著明顯的提高。因為隨著納米纖維成網的時間推進，積累在纖網上的納米纖維越多，纖維交錯的排列會有效的攔截過濾粉塵顆粒物，過濾效率才會越來越高。隨著纖網的厚度增加，阻力壓降上升。當紡絲時間為30min時，過濾效率均在96%以上，基本可以達到99%以上，遠高于傳統空氣過濾膜材料(13%)[20]，但同時阻力壓降也達到了350Pa左右，對過濾性能有一定的影響。

　　另外，隨著溶液質量分數的增加，PCL納米纖維濾膜的阻力壓降也呈現先增加后減小的趨勢，與過濾效率的趨勢一致。為了綜合評定濾膜的過濾性能，計算了不同濾膜的品質因子。品質因子的值越大，表示濾膜的過濾性能越好[21-22]。

　　當PCL溶液的質量分數為12%，紡絲時間為30min時，得到的濾膜的QF值最大，但是該濾膜的阻力壓降為361Pa。因此，綜合考慮濾膜實用性，認為質量分數為14%的PCL溶液紡制10min時得到的濾膜及質量分數為12%的溶液紡制20min得到的濾膜，為性能優越的高效低阻空氣過濾材料。

　　3結語

　　成功制備了不同質量分數和不同紡絲時間的PCL納米纖維復合濾膜，溶液質量分數和紡絲時間的變化會影響納米纖維的直徑和纖維膜厚度，并最終影響濾膜的透氣性和過濾性能。研究表明隨著溶液質量分數的增加，PCL納米纖維的直徑略有增加，纖維濾膜的透氣性呈現先減小后增加的趨勢，而纖維濾膜的過濾效率和阻力壓降則都呈現先增加后減小的趨勢。最后利用品質因子綜合評定了不同的PCL納米纖維濾膜的過濾效率和阻力壓降，結果發現質量分數為14%的PCL溶液紡制10min時得到的濾膜，以及12%的溶液紡制20min得到的濾膜，品質因子比較高，性能優越的高效低阻空氣過濾材料。

　　參考文獻(References)：

　　[1]商景林，王翔，馬罡亮，等.PM2.5與呼吸防護[J].中國個體防護裝備，2013(2)：26-28.SHANGJL，WANGX，MAGL，etal.PM2.5&re-spiratoryprotection[J].ChinaPersonalProtectionE-quipment，2013(2)：26-28.(inChinese)

　　[2]陳美玉，周瑩瑩，王紅紅，等.市場口罩的過濾特征與舒適性分析[J].紡織高校基礎科學學報，2018，31(3)：281-288.

　　材料方向評職知識：納米材料論文發表怎么投稿sci期刊

　　AATCC評論《 AATCC REVIEW 》期刊刊號為1532-8813 ，期刊2017-2018年影響因子為0.333，同年期刊自引率為 28.50% ，期刊屬于工程技術-材料科學：紡織領域。審稿周期平均24.0個月，JCR分區為應用化學-4區,材料科學：紡織-4區, 工程技術-4區，投稿難度比較容易，可投稿納米材料方面的論文。