靜電紡PA 6/CS復合纖維膜的過濾性能研究

靜電紡PA 6/CS復合纖維膜的過濾性能研究*

劉雷艮韓茹

(蘇州經貿職業技術學院紡織服裝與藝術傳媒學院，蘇州，215008)

摘要：采用自制單噴頭靜電紡絲設備，以聚丙烯熔噴非織造布為基布，制備靜電紡聚酰胺6/殼聚糖(PA 6/CS)復合纖維膜，研究了靜電紡絲時間對復合膜表面形貌、孔徑和過濾性能的影響。結果表明：隨著靜電紡絲時間增加，復合纖維膜對NaCl氣溶膠的過濾效率顯著增加，過濾阻力明顯增加，品質因子先增加后減小；連續紡絲90 min后，復合纖維膜的過濾效率達到99%以上。

關鍵詞：靜電紡絲，聚酰胺6，殼聚糖，過濾性能

中圖分類號：TQ340.649文獻標志碼：A

基金項目*蘇州經貿職業技術學院自然一般(JMY21303)

收稿日期：2014-09-26

作者簡介：劉雷艮，女，1979年生，講師。主要研究方向為高技術纖維的開發與應用。

通過靜電紡絲可以制備具有較大比表面積和表面吸附能的納米級纖維。靜電紡纖維膜具有高孔隙率和貫通的三維孔隙結構，且纖維表面殘留大量靜電荷[1]，這些特性使得其對粉塵具有很高的捕集效率和較小的過濾壓降，因此很適合用作空氣過濾材料[2]。但是，靜電紡纖維膜的強力差，很難滿足過濾時的壓力要求，因此常與非織造基布復合來增加其力學性能[3-5]。

殼聚糖(CS)是一種無毒無害的天然抗菌材料，可以較好地抑制粉塵表面攜帶的細菌和微生物，但是較難進行靜電紡絲；而聚酰胺6(PA 6)可紡性好，其靜電紡纖維的直徑可達100 nm以下。本文采用自制單噴頭靜電紡絲設備，以聚丙烯熔噴非織造布為基布，制備了靜電紡PA 6/CS納米復合纖維膜，并研究了該復合纖維膜的表面形態、孔隙結構及其對NaCl氣溶膠的過濾性能。

1實驗部分

1.1材料

PA 6樹脂顆粒，上海百靈威化學技術有限公司；

殼聚糖，MW=2×104g/mol，脫乙酰度80%，青島云宙生物科技有限公司；

聚丙烯熔噴非織造布，市售，面密度為29.4 g/m2；

88%甲酸，上海試劑總廠。

1.2靜電紡絲

在室溫條件下，將一定量的PA 6樹脂顆粒和CS粉末經JB-90-3型定時恒溫磁力攪拌器充分攪拌溶解于88%甲酸中，配成質量分數為15%的靜電紡絲溶液，其中殼聚糖占1%。

靜電紡絲設備如圖1所示。先將聚丙烯熔噴非織造布固定在金屬接收屏表面，然后將紡絲液注入5 mL玻璃注射管中(針頭內徑為0.45 mm)，連續靜電紡絲15～90 min，獲得復合纖維濾料試樣；將紡得的試樣在室溫下放置24 h后再進行各項測試。紡絲工藝參數為：紡絲電壓15 kV，噴絲頭與接收屏之間的距離15 cm，紡絲液流量0.06 mL/h，接收屏轉速18.8 cm/s。

圖1　靜電紡絲設備示意

1.3性能測試

1.3.1形態結構

采用S-4800型掃描電子顯微鏡記錄過濾前后復合纖維膜的表面形貌，加速電壓15 kV，發射電流10.5 mA。采用HJ2000通用圖像分析軟件計算纖維直徑，并統計其分布情況，每一試樣測試纖維100根左右。

1.3.2過濾性能

采用TSI8130型全自動過濾測試儀(美國明尼蘇達州TSI有限公司)測試試樣的過濾效率和過濾阻力。NaCl氣溶膠質量中值直徑為260 nm，數量中值直徑為75 nm，幾何標準偏差不超過1.83，氣流流量為(85±0.2) L/min，每組試樣分別測試5次，取平均值。

1.3.3孔徑

采用Porometer 3G孔徑分析測試儀(美國康塔公司)測試試樣的孔徑大小及其分布，每組試樣分別測試3次，取平均值。

2結果與分析

2.1表面形貌

圖2為各試樣過濾NaCl氣溶膠顆粒前后的表面SEM照片。

圖2(b)是過濾后聚丙烯熔噴非織造布的表面形貌，表面未見NaCl顆粒殘留；圖2(e)是過濾后靜電紡絲90 min復合纖維膜的表面形貌，可見表面吸附了較多的NaCl顆粒；圖2(c)和圖2(d)分別是過濾前靜電紡絲15和90 min復合纖維膜的表面形貌，可以看到靜電紡絲15 min復合纖維膜的靜電紡纖維層較薄，基布纖維仍然可見，而靜電紡絲90 min復合纖維膜的靜電紡纖維層能較好地覆蓋基布纖維，但是分布不均勻。

聚丙烯熔噴非織造布的纖維直徑為(2.1±0.73)μm，平均孔徑為10.3 μm，最大孔徑為11.9 μm，最小孔徑為9.58 μm；而靜電紡PA 6/CS纖維的直徑為(88±10.1) nm，靜電紡絲90 min復合纖維膜的平均孔徑為4.35 μm，最大孔徑為9.18 μm，最小孔徑為3.83 μm。這說明在非織造基布上復合靜電紡納米纖維層能明顯降低材料的孔徑，但分布均勻性差，導致孔徑分布范圍寬。

2.2過濾性能

根據經典纖維過濾理論，纖維過濾材料主要通過攔截效應、慣性效應、布朗擴散、重力沉降和靜電捕獲5種方式捕集空氣中的微粒，微粒被捕集是幾種機理共同作用的結果[6]。過濾性能通常用過濾效率、過濾壓降、品質因子和容塵量來表示。根據經典經驗公式，過濾效率和品質因子定義為：

圖2　過濾前后各試樣的SEM照片

(1)

(2)

式中：η——過濾效率；

c1——過濾前氣溶膠濃度；

c2——過濾后氣溶膠濃度；

QF——品質因子；

ΔP——過濾壓降。

過濾效率越高，過濾壓降越小，則過濾器的品質因子越大，其過濾性能越好。

Brown[7]認為對于非織造纖維過濾器的過濾效率可定義為：

(3)

式中：α——纖維填充密度；

ηf——單纖維過濾效率；

Z——纖維層厚度；

df——平均纖維直徑。

由此可見，纖維填充密度越大，纖維層越厚，纖維直徑越小，則纖維過濾器的過濾效率越大。

根據Davies[8]經驗公式，通過清潔非織造纖維過濾器的壓力降為：

(4)

式中：U0——表面風速；

μ——空氣動力黏度。

由此可見，纖維層厚度越大，纖維填充密度越大，纖維直徑越小，則過濾壓降越大。而此三種因素對過濾效率的影響結果恰好相反，這也說明了過濾效率和過濾壓降之間存在的矛盾關系。

由表1可見，隨著紡絲時間增加，復合纖維膜的過濾效率逐漸增加，過濾壓降逐漸增大，品質因子先增加后減小。靜電紡絲15 min即可顯著提高聚丙烯熔噴非織造布的過濾效率，而過濾壓降沒有明顯增加，品質因子增加的幅度最大；當靜電紡絲60 min時，復合纖維膜的過濾效率可達98.57%，過濾壓降迅速增加，品質因子增幅不明顯；再繼續增加紡絲時間，復合纖維膜的過濾效率增幅變緩，過濾壓降繼續迅速增加，品質因子略有下降。由上述分析可知，聚丙烯熔噴非織造布的纖維直徑和孔徑遠遠大于NaCl氣溶膠的中值直徑，且纖維填充密度較小，過濾過程中絕大部分NaCl氣溶膠可以直接穿過非織造布，致使過濾效率很低，品質因子很小。而靜電紡PA6/CS的纖維直徑達納米級，并且填充密度較大，由公式(3)和公式(4)可知，過濾效率和過濾壓降都會迅速增加；同時，隨著紡絲時間的延長，靜電紡纖維層的厚度增加，過濾效率逐漸提高，但過濾阻力也迅速增加，且過濾壓降的增幅遠超過過濾效率的增幅，從而導致品質因子在過濾效率達到一定程度后而有所下降。

表1紡絲時間對靜電紡復合纖維膜過濾性能的影響

3結論

(1)采用自制靜電紡絲設備可制備直徑為(88±10.1) μm的PA 6/CS納米纖維，與聚丙烯熔噴非織造布復合可以顯著改善聚丙烯熔噴非織造布的過濾性能。

(2)隨著靜電紡絲時間的增加，復合纖維膜對NaCl氣溶膠的過濾效率迅速增加，但過濾阻力亦急劇增加，品質因子并未明顯增大。靜電紡絲90 min后，復合纖維膜的過濾效率可達99%以上，過濾阻力達307.2 Pa。可根據實際需要選擇靜電紡絲時間，以協調過濾效率和過濾阻力之間的矛盾關系。

參考文獻

[1]LOVERA D, BILBAO C, SCHREIER P, et al. Charge storage of electrospun fiber mats of poly(phenylene ether)/polystyrene blends[J]. Polymer Engineering Science,2009,49:2430-2439.

[2]QIN X H, WANG S Y. Filtration properties of electrospinning nanofibers[J]. Applied Polymer Science,2006,102:1285-1290.

[3]姚春梅,黃鋒林,魏取福，等.靜電紡聚乳酸納米纖維復合濾料的過濾性能研究[J].化工新型材料,2012,40(4):122-124.

[4]康衛民,程博聞,莊旭品，等.靜電紡納米級纖維復合膜及其過濾性能[J].紡織學報,2006,27(10):6-8.

[5]PREZEKOP R, GRADON L. Deposition and filtration of nanoparticles in the composition of nano- and micro sized fibers[J]. Aerosol Science and Technology,2008,42:483-493.

[6]覃小紅,王善元.靜電紡納米纖維的過濾機理及性能[J].東華大學學報：自然科學版,2007,33(1):52-56.

[7]BROWN R C. Air filtration: an integrated approach to the theory and applications of fibers[M]. Oxford: Pergamon Press,1993.

[8]DAVIES C N. The separation of airborne dust and particulates[J]. Proc Inst Mech Eng 1B，1952：185-213.

Filtration properties of electrospun PA 6/CS

composite fibrous membrane

LiuLeigen,HanRu

(School of Textile Clothing & Artistic Media, Suzhou Institute of Trade & Commerce)

Abstract:Electrospun PA 6/CS composite fibrous membrane was preparated on polypropylene melt-blown nonwovens by single jet electrospun equipment. The effluence of electrospun time to surface morphology, pore size, filtration properties was studied. The results show that the filtration efficiency and filtering press drop of composite fibrous membrane to NaCl aerosol was increased significantly, but the quality factor was increased firstly and decreased secondly. The filtration efficiency of composite fibrous membrane was increased to 99% for 90 min.

Kaywords: electrospinning, PA 6, chitosan, filtration property

瓦克集團2015財年預計將繼續實現增長

瓦克集團作為一家全球性的公司,其經營業務包括世創電子材料、瓦克有機硅、瓦克聚合物、瓦克多晶硅、瓦克生物科技等。集團在世界各地設有25個生產基地，并在歐洲、美洲和亞洲29個國家設有子公司和銷售辦事處，在中國的發展也尤為穩健。

近日瓦克集團宣布，集團2014年實現銷售額48.3億歐元，比2013年(44.8億歐元)高出約8%，各業務部門均實現銷售量增長；利息、稅、折舊、攤銷前利潤(EBITDA)為10.423億歐元(2013年為6.788億歐元)，同比提高了近54%。EBITDA利潤率從15.2%大幅增長至21.6%。其中，2014財年集團大中華區銷售額為12.2億歐元，與2013年(10.7億歐元)相比增長14%。此成績得益于中國整體宏觀經濟的發展，以及集團對下游產品生產設施和本土研發的持續投入。

瓦克集團預期，集團2015年全年的銷售額和除去特殊收益后的EBITDA均將高于2014年，銷售額增長率可達1%~9%的高位數，各業務部門的銷售量和銷售額均將高于2014年。集團EBITDA在除去賠償金和更新供貨合同而獲得的特殊收益后，將略高于2014年相應值。EBITDA利潤率則將有所下降，主要原因為美國田納西州查爾斯頓新生產基地產生的啟動費用。2015年投資額將高于2014年，約為7億歐元，各類折舊費將在6.25億歐元左右，略高于2014年水平。凈現金流量將稍有增長，凈金融負債將主要因為在美國田納西州的投資而增加2億~3億歐元。集團年終利潤將因特殊收益減少和略高于50%的稅率而低于2014年水平。