靜電紡納米纖維空氣過濾材料研究進展

張 麗，蒙冉菊，高慧英，朱小鳳，湯子舟，陳 建

(嘉興職業(yè)技術學院 紡織與藝術設計分院，浙江 嘉興 314036)

靜電紡納米纖維空氣過濾材料研究進展

張 麗，蒙冉菊*，高慧英，朱小鳳，湯子舟，陳 建

(嘉興職業(yè)技術學院 紡織與藝術設計分院，浙江 嘉興 314036)

分析了靜電紡納米纖維空氣過濾材料的過濾機理，綜述了該纖維用作空氣過濾材料的研究現(xiàn)狀，并展望了其發(fā)展前景。

靜電紡；納米纖維；空氣過濾

近年來隨著我國霧霾天氣的增加，大氣污染特別是大氣中懸浮顆粒物的增加，破壞了生態(tài)平衡，威脅人們的健康，影響著企業(yè)的生產。研究表明空氣中直徑范圍為0.001～100 μm的塵埃粒會持續(xù)地懸浮在空氣中很長的時間，小于10 μm的粉塵顆粒能被人體吸入，其中大于5 μm的粉塵顆粒會從人的鼻腔或咽喉到呼吸通道，被器官中的纖毛和分泌液粘住，通過咳嗽、噴嚏等保護性反應而排出，小于5 μm的塵埃顆粒則可滲入人的內臟，加重人體的呼吸系統(tǒng)疾病和老年腦血管病患者的癥狀，引發(fā)心力衰竭和中風等疾病[1]。顆粒、粉塵混入工業(yè)原料、機電產品、精密儀器等會降低工業(yè)產品的質量，減少精密儀器、高端設備的壽命[2]。因此空氣中顆粒物總量的控制特別是PM2.5的治理已成為環(huán)境領域研究的熱點問題。空氣過濾就是捕抓、分離懸浮在空氣中細微顆粒的一種方法。纖維空氣過濾材料是由許多排列復雜的纖維搭建而成，傳統(tǒng)的纖維空氣過濾材料的孔徑較大，即使是過濾性較好的非織造布過濾材料的孔徑在十至幾十微米，過濾細小顆粒的效果并不良好。靜電紡絲技術是一個制備納米級別聚合物纖維的簡便、高效的方法。通過靜電紡絲技術可以獲得直徑為納米級的多種不同聚合物納米纖維[3]，對空氣中直徑為1～5 μm的懸浮微粒有極高的過濾效果，幾乎100%截留[4]。靜電紡技術將是制作高效空氣過濾材料的發(fā)展方向。

1 靜電紡納米纖維過濾機理

纖維過濾器的過濾系統(tǒng)中，纖維是阻截顆粒的主要障礙物，除了本身把顆粒阻擋在外，還可以把前期捕捉住的顆粒阻攔后流入的顆粒，纖維表面的顆粒以“樹枝狀結構”堆積在一起，纖維是“干”，顆粒是“枝”[5]。單位面積內的纖維根數越多，纖維間孔隙就越小，容納的顆粒相應增多，過濾效率就越高，且由顆粒形成的枝狀結構就越堅固，顆粒被吹散而引起的二次污染的機率就變低，其示意圖如圖1所示[6]。纖維阻礙氣流通過的能力為過濾材料對氣流的阻力。過濾效果相同的兩塊材料，纖維粗的過濾阻力大，纖維細的過濾阻力小。靜電紡納米纖維具備直徑小、孔徑細、比表面積大、吸附性高等優(yōu)點，非常適合應用于空氣過濾材料。

納米纖維空氣過濾的過程主要是穩(wěn)定的過濾過程，納米纖維過濾材料的過濾機理如圖2所示。主要的過濾捕集微粒作用有以下幾種[7]：

(1)攔截效應 當空氣中的顆粒通過過濾材料接觸到排列錯綜復雜的纖維表面時，由于范德華力的作用使顆粒粘附在過濾材料上。

(2)慣性沉積 氣流通過交錯排列的空氣濾料纖維時，受到纖維的障礙發(fā)生轉折，由于慣性，空氣中的顆粒脫離氣流碰撞到纖維表面并沉積下來。慣性力隨著顆粒直徑的增大而變大，因此顆粒直徑越大越容易被濾料纖維阻礙，濾料的過濾效果就越高。

(3)擴散效應 微小顆粒與氣體分子碰撞而產生無規(guī)則的布朗運動，隨機地與濾料纖維發(fā)生碰撞而被纖維吸附。顆粒直徑越小布朗運動越強烈，碰撞到濾料纖維的機率就越多，過濾效果也越好。

(4)重力沉積 一些較重的顆粒通過濾料纖維時，在重力作用下顆粒脫離氣體流動方向而沉降下來。一般情況下，對于直徑為0.5 μm及以下的顆粒，重力沉積作用可以忽略。

(5)靜電吸附 顆粒由于靜電作用脫離氣體流動方向而沉降下來，或是緊緊地吸附在過濾材料的纖維表面上。因此，在不增加過濾阻力的情況下，靜電吸附作用可以有效地增強過濾材料的過濾效果[8]。

由于纖維濾料對顆粒的捕集是以上幾種機理共同作用的結果，總的過濾效果是以上幾種作用的疊加。從原理上可算出在每一種捕捉機理下單纖維的捕捉效率，但是總捕捉效率并不是各捕集效率的簡單相加，各種捕集機理之間存在著相互作用[9-10]。

2 納米纖維空氣過濾材料的現(xiàn)狀

通過靜電紡絲技術可將高聚物的溶液在電壓的作用下連續(xù)噴出直徑為納米級的纖維，使其具有超細的孔徑，超高比表面積、孔隙率和表面吸附性，細微顆粒極易被纖維阻擋和吸附，在同等壓力下較傳統(tǒng)濾料有更好的過濾性能。且納米纖維的直徑非常細小，氣體在納米纖維上流過時所產生阻力會減小。由于靜電紡納米纖維這些獨特的特性，受到許多研究者的重視。

2.1 納米纖維空氣過濾氈

Ahn[11]用聚酰胺PA6制備了直徑80～200 nm靜電紡納米纖維氈，并與高效空氣過濾氈(HEPA)進行過濾粒徑為300 nm的微粒的效果對比，發(fā)現(xiàn)PA6納米纖維氈的過濾效率微高于HEPA，達到了99.993%。Gopal等[12]用靜電紡絲制備最大孔徑為4.6 μm聚砜(PS)納米纖維膜，對直徑為7～10 μm的顆粒過濾效果高達99%，且不會產生污染，而對1～2 μm的顆粒過濾時會污染納米纖維膜。Wang[13]制備了平均直徑500 nm的聚乙烯醇(PVA)納米纖維氈，并與平均直徑為200 nm的聚氧乙烯(PEO)納米纖維氈進行了過濾效果的實驗，結果顯示，其過濾效果比傳統(tǒng)空氣過濾介質要好。PVA納米纖維氈孔徑在0.5～8 μm，比PEO納米纖維氈的孔徑(1～10 μm)小，滲透性較弱。Yun[14]紡制了5個直徑270 nm、體積分數相近、厚度不一的和1個直徑為400 nm的聚丙烯腈(PAN)靜電紡納米纖維氈，并用這6個樣與聚烯烴HEPA氈、玻璃纖維超高效過濾(ULPA)氈進行過濾性能比較。結果顯示，PAN纖維氈的厚度越小微粒滲透性就越好，質量小的靜電紡纖維氈的納米微粒滲透性與聚烯烴HEPA氈、玻璃纖維ULPA氈相同。Nakata[15]制備了13種聚醚砜(PES)納米纖維氈，當濾料的孔徑大于3 μm時，過濾效率和壓力降都快速下降；不同試樣的過濾效率可分別滿足ULPA和HEPA的標準。王偉媛[16]用聚酯(PET)溶液制備具有90%以上孔隙率的納米過濾膜，過濾膜孔隙率會隨著纖維膜厚度、纖維直徑的增大而稍有增多；過濾效果隨著纖維膜厚度的增大、纖維直徑的減小而提高，對微米級煤粉的過濾效果好。

2.2 納米纖維復合過濾材料

靜電紡納米纖維氈具有高效的過濾性能，但納米纖維非常脆且強度低，耐久性極差，極容易損害，納米纖維氈難以單獨使用。因此，為了能夠將納米纖維應用到空氣過濾中，把納米纖維與其他強度較高的纖維材料復合從而增加其機械強度。許多研究者發(fā)現(xiàn)靜電紡納米纖維氈與其他纖維材料復合時不但可提高過濾材料的機械性能，且其過濾效果也得到一定的提高。

Timothy Grafe等[17]介紹了以滌綸、玻璃、尼龍和纖維素纖維作為基布的靜電紡納米纖維復合過濾材料的研究，其效果如圖3所示，a顯示的是靜電紡PA6紡在紡黏基布上的橫截面圖，b顯示的是靜電紡聚乳酸(PLA)紡在紡黏PLA非織造布上的形貌。

劉亞[18]制備熔噴-靜電紡復合法PLA非織造布，研究表明纖維直徑逐漸變細，熔噴-靜電紡復合法聚乳酸非織造布的過濾效率增大，透氣性能下降。康衛(wèi)民等[19]通過把直徑為80～500 nm的聚己二酸己二醇酯(PEGA)納米纖維與駐極體熔噴非織造布復合在一起制作成過濾材料，該材料對粒徑為0.3 μm粉塵顆粒過濾效果達到99.9%。Heikkila[20]研究了不同鏈結構的PA的纖維形態(tài)和可紡性，以及其不同面密度的空氣過濾性能，實驗表明面密度最小的納米纖維覆蓋也有利于提升基布的過濾性能，并隨著面密度的增加對160 nm微粒過濾效果也不斷的提高，當面密度超過0.5 g/m2時，面密度增加不再提升過濾效果，而壓力卻降急劇加大。高曉艷等[21]也采用了靜電紡絲技術制備在3種不同基布上紡制PA6納米復合材料，并研究了納米纖維層含量、孔隙結構及其與基布之間的關系。研究發(fā)現(xiàn)靜電紡絲時間的增加，粘在基布上的納米纖維也增多，復合材料中平均空隙面積、孔隙率和透氣率則下降。Li[22]把直徑小于500 nm的PA6納米纖維紡在傳統(tǒng)空氣過濾材料上，分析了不同密度納米纖維層其復合材料的過濾性能，研究表明納米纖維層密度的增加和尼龍6納米纖維直徑的減少都有利于提高過濾效果。

Qin等[23]將PVA紡在熔噴及紡粘非織造布上，PVA纖維的平均直徑是200 nm，熔噴非織造布和紡黏非織造布的直徑分別為4 μm和13 μm，納米纖維膜和紡黏非織造布的平均孔徑分別為0.74 μm和41.99 μm。另外，納米纖維和基布纖維直徑的分散系數分別為35%和55%。由此可見，納米纖維直徑分散系數小于基布的分散系數，說明納米纖維膜的過濾性能卓越。Desai[24]制備了殼聚糖/PEO(90/10)納米復合纖維氈，且測試了直徑范圍在65～115 nm、面密度為1 g/m2的纖維氈的過濾效果，結果顯示纖維直徑的增加，過濾效果變弱，得出最大孔徑和氣體滲透性增加導致過濾效果變差的結論。

Leung等[25]同樣采用靜電紡絲技術把直徑為50～480 nm的PEO納米纖維紡在微米級纖維的基布上，發(fā)現(xiàn)能夠通過纖維氈的顆粒最大粒徑(MPPS)隨納米纖維沉積密度的增加而減小，過濾效率隨風速的增加而減小，且對于越小的顆粒，減小的越劇烈，納米纖維層厚度對MPPS的影響不及納米纖維沉積密度顯著。最終得出以下結論：通過折疊的方法減小纖維密度從而達到降低壓力降的目的，也可以認為一個多層的納米纖維過濾器和單層納米纖維過濾器擁有相同壓力降，但對亞微米級的氣溶膠的捕獲能力多層次的要高的多。

Patanai等[26]制備了中間層為納米纖維，上下層為非織造基布的三層復合纖維過濾材料，并測試了納米纖維層的耐用性。實驗證明，在循環(huán)的壓縮空氣的壓力下，雙層復合納米過濾材料中的納米纖維層孔徑變大，過濾效果變弱，壓力降也發(fā)生了改變；而三層纖維復合過濾材料的孔徑、過濾效率、壓力降基本不變，說明了三層復合介質中納米纖維層的結構保持完好，具有優(yōu)良的持久性和耐用性。

Zhang等[27]分析了單層納米纖維和多層納米纖維復合材料的過濾性能，制備了一個中間層為電紡PAN納米纖維的三明治結構的復合過濾材料，在電紡時間相等的前提下，比較了單層納米纖維和三明治結構中納米纖維的壓力降和過濾品質因數。實驗表明，由于三明治結構的納米纖維過濾材料的壓力降沒有升高，因此在相同厚度下三明治結構的要比單層結構的過濾品質因數要高的多。

周明[28]制備PAN和醋酸纖維素(CA)復合納米纖維并負載在非織造基布上，對5.0 μm粒子的過濾效率達到了99.65%，對2.0 μm粒子的過濾效率達到了98.98%。

2.3 功能性納米纖維過濾材料

空氣過濾材料在應用的過程中容易受到許多漂浮在空氣中的微生物的污染。當微生物隨灰塵顆粒吸附在過濾材料上且生存繁殖，不僅會降低過濾材料的使用壽命，還會嚴重影響過濾材料的過濾效果。過濾材料上經常出現(xiàn)的微生物有葡萄糖狀球菌、沙雷氏菌屬、克雷伯氏菌屬、枝孢菌屬和曲霉菌等[29]。為解決這個問題，已經有研究者嘗試將含有抗菌基團的聚合物溶液，通過靜電紡絲的方法制備出具有抗菌性能的納米纖維過濾材料，并利用纖維直徑小、孔徑小、比表面積大等特點來改善抗菌性能。

Kim等[30]在聚碳酸酯(PC)溶液中加入芐基三乙基氯化銨成功地紡制出具有抗菌性能的聚碳酸酯(PC)納米纖維，并進行了抗菌性能測試和過濾性能測試，發(fā)現(xiàn)抗菌性能高達99.9%，過濾性能也優(yōu)于傳統(tǒng)的HEPA材料相。

Tan等[31]將二甲基乙內酰脲衍生物加入PA6紡絲液中，成功紡制了直徑為100～500 nm的納米纖維膜，并對革蘭氏陰性和陽性菌進場抗菌測試，40 min后發(fā)現(xiàn)細菌被全部殺死，納米纖維膜的抗菌性能隨著二甲基乙內酰胺衍生物含量的增加而提高，而其力學性質和過濾效率基本不會受到影響。

姚春梅[32]在PLA紡絲液中加入不同質量的硝酸銀進行靜電紡絲，并將制得的纖維通過紫外光照作用將AgNO3還原成Ag，所制備PLA/Ag復合納米纖維對0.3 μm以上的粒子過濾效率達到了99%以上，且過濾阻力較低，抗菌性能好，可以達到99%以上。

3 結語

與傳統(tǒng)纖維相比，靜電紡納米纖維具有纖維直徑小、孔徑小、孔隙率高、比表面積大等優(yōu)點，在空氣過濾方面具有很好的應用價值，已經引起許多研究者的關注。通過靜電紡納米纖維空氣過濾機理的分析，靜電紡納米纖維在過濾空氣顆粒的過程中，在直接攔截效應和慣性沖擊效應上更有優(yōu)勢，有利于提高過濾效率。但靜電紡絲納米纖維存在結構排列無序、強度不夠等問題，今后仍需在這一方法做進一步的研究，提高靜電紡絲納米纖維的強度。其次，過濾材料在不同環(huán)境中的應用，對過濾材料的功能性需求越來越多，隨著功能性靜電紡納米纖維的進一步研究和開發(fā)，其發(fā)展和應用將會在未來有極大的空間。

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Research Development of Electrospun Nanofiber Air Filter Material

ZHANG Li, MENG Ran-ju*, GAO Hui-ying, ZHU Xiao-feng,TANG Zi-zhou,CHEN Jian

(Jiaxing Vocational & Technical College, Jiaxing 314036, China)

The filtering mechanism of electrospun nanofiber air filter material was analyzed. The research status of electrospun nanofibers for air filtration materials was introduced. The development prospects were proposed.

electrospun; nanofibers; air filter

2016-04-02

張 麗(1995-)，女，大專在讀，研究方向：靜電紡和納米纖維。

*通信作者：蒙冉菊，女，講師，研究方向：紡織材料與技術，E-mail：33452145@qq.com。

TS102.5

A

1673-0356(2016)06-0018-05