吸附-過濾雙功能復合微納纖維的制備及性能研究

王　宇，張旭倩，諶興華，林承浩，呂汪洋，陳文興

(浙江理工大學紡織纖維材料與加工技術國家地方聯合工程實驗室，杭州　310018)

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吸附-過濾雙功能復合微納纖維的制備及性能研究

王宇，張旭倩，諶興華，林承浩，呂汪洋，陳文興

(浙江理工大學紡織纖維材料與加工技術國家地方聯合工程實驗室，杭州310018)

摘要：通過靜電紡絲技術在活性碳纖維表面形成一層納米孔道結構膜，制備具有吸附和過濾雙功能的復合微納纖維。測試結果表明：該纖維不僅具有活性碳纖維強的吸附能力，對常見揮發性有機污染物的吸附飽和量最高可達295.5mg/g；且靜電紡絲所形成的納米孔道結構能夠有效過濾大氣細顆粒物，可完全過濾0.5～10μm的顆粒物。此外，測試結果還表明，該復合微納纖維還具有較好的透氣和透濕性。并考察了靜電紡絲時間對復合微納纖維透氣和透濕性的影響。

關鍵詞：復合微納纖維；靜電紡絲；活性碳纖維；吸附；過濾

隨著我國經濟的高速發展，人們的生活水平在不斷提高，但相應地加劇了環境污染，其中越來越嚴重的空氣污染已影響到人們的正常生活，尤其是空氣中過量的PM2.5等細顆粒物和揮發性有機污染物(VOCs)嚴重威脅著人體健康[1-2]。目前防護用品中用于過濾細顆粒物主要采用多層材料過濾，但透氣、透濕性差，舒適度低。吸附污染物主要使用活性炭產品，且多用活性炭顆粒，但其與活性碳纖維相比，存在比表面積較小且濾阻大等不足[3-4]。靜電紡絲纖維獨特的超高比表面積、孔徑的內部連通性及高表面吸附性，現已在過濾材料、醫藥傳感、傷口防護、骨架組織工程等領域都有廣泛的應用[5]，在空氣過濾方面也已達到了高精度過濾[6]。而目前國內外過濾纖維雖然在實驗室中有研究報道[6-7]，但不能滿足作為防護用品過濾芯層在透氣、透濕等方面的要求。在過濾細顆粒物的效果方面，國內的產品離國外的先進水平還有一定距離，國外市場上的部分產品防塵效果較好，但透氣、透濕性能卻有待提高，且價格昂貴，因而不能很好地滿足人們的需求。

本文采用靜電紡絲的方法在活性碳纖維上復合納米纖維膜，制備得到具有吸附和過濾雙功能的復合微納纖維，并測試了其透氣、透濕、吸附及過濾性能。紡絲過程中通過改變紡絲時間來改變靜電紡絲纖維膜的厚度，從而調節復合微納纖維整體的透氣、透濕和過濾等性能。該復合微納纖維可用于室外防護用品芯層材料，同時去除空氣中揮發性有機污染物和細顆粒物。

1　實驗部分

1.1原料與試劑

聚丙烯腈(PAN，Mw=150000)；N,N-二甲基亞酰胺(DMF，AR，杭州高晶精細化工有限公司)；活性碳纖維布(江蘇蘇通碳纖維有限公司)。無水氯化鈣(CaCl2，AR，杭州高晶精細化工有限公司)；苯(AR，杭州大方化學試劑廠)；甲苯(AR，上海三鷹化學試劑有限公司)；環己烷(AR，杭州高晶精細化工有限公司)；二硫化碳(AR，上海展云化工有限公司)；丙酮(AR，杭州高晶精細化工有限公司)；彩色單分散聚苯乙烯微球(紅色，2μm；藍色，500nm；上海晶純試劑有限公司)。

1.2紡絲溶液配制

以DMF為溶劑配制紡絲溶液，用電子天平按2∶23的質量之比準確稱取PAN粉末和DMF。將上述稱量好的試劑加入樣品瓶進行混合，放入預先設定好的超聲波分散器中，超聲分散5h后取出樣品瓶，冷卻至室溫，得質量分數為8%的PAN紡絲溶液。

1.3復合微納纖維的制備

剪取約35cm×35cm的活性碳纖維布(比表面積為800～1000m2/g，克重為70～80g/m2)，將其平鋪于靜電紡絲裝置的接收板上，并將提前裝好紡絲溶液的注射器固定好，調節靜電紡絲裝置的參數如下：電壓15kV，紡絲距離18cm，紡絲速度1mL/h。制備紡絲時間為1.0、1.5、2.0、2.5h的復合微納纖維，并制備多個實驗樣品。

1.4復合微納纖維性能測試

1.4.1透氣性能測試

透氣性能測試參照國家標準GB2626—2006《呼吸防護用品-自吸過濾式防顆粒物呼吸器》[8]進行。每個紡絲時間段的選取兩個樣品，將樣品置于溫度為(20±2)℃，相對濕度為63%～67%大氣下調濕24h。采用YG461D型織物透氣量儀進行透氣性測試，試樣面積為20cm2，壓差為350Pa，所用噴嘴為03、04、05號。分別在紡絲時間為1.0、1.5、2.0、2.5h的每個樣品上取3個點進行測試，取平均值。

1.4.2透濕性能測試

參照國家標準GB/T 12704.1—2009《紡織品織物透濕性試驗方法-第1部分：吸濕法》[9]進行透濕性測試。所用儀器為YG601-Ⅰ/Ⅱ型電腦式織物透濕儀，用吸濕法進行測試，吸濕劑為無水CaCl2。先將無水CaCl2置于160℃的烘箱中進行烘干處理3h，然后加入約35g于透濕杯。上面依次放置試樣、橡膠圈和壓環，并擰緊螺絲，并用乙烯膠粘帶從側面密封。將安裝好的透濕杯放入透濕儀內，透濕儀設定為溫度(38±2)℃，濕度為(90±2)%。透濕1h后，取出透濕杯，并立即蓋上杯蓋，放入硅膠干燥器內平衡0.5h后，稱重m1。重復上述步驟，稱重m2，得兩次質量之差為Δm。分別在0、1.0、1.5、2.0、2.5h每個樣品上面剪取3個不同地方試樣進行測試，取3次平均值為最終所測結果。最終可計算透濕率W。

其中：A為靜電紡絲接收圓盤的面積，t為透濕時間。

1.4.3吸附性能測試

將紡絲時間為1.0h的試樣剪成15cm×15cm大小，放入100℃烘箱進行烘干處理2h，利用稱重法可得試樣對苯、甲苯、環己烷、二硫化碳和丙酮這些常見揮發性有機氣體的吸附量，以判定雙功能復合微納纖維的吸附性能。

1.4.4過濾性能測試

將紡絲時間為1.0h的試樣剪成約5cm×5cm大小，在樣品表面分散約1.5mg的彩色單分散聚苯乙烯微球顆粒物，其粒徑有2μm(紅色)和0.5μm(藍色)兩種。然后將樣品置于孔隙極小的白色過濾布上，用抽氣機對準過濾布下面進行抽吸30s，完成后取走過濾布上面的樣品并進行觀察。由過濾布表面是否有苯乙烯微球或者是否有苯乙烯微球透過，以此來判斷復合微納纖維過濾性能。

2　結果與討論

2.1復合微納纖維形貌

圖1為紡絲時間1.0h試樣的電鏡照片，從圖1中可以看出復合微納纖維表層為納米級纖維，且纖維粗細較為均勻，纖維的直徑約為200～300nm。此外，靜電紡絲納米纖維交錯、層疊形成的空隙大小均勻，孔隙率高。

圖1　紡絲時間1.0h試樣電鏡照片(×10000)

2.2復合微納纖維透氣性能

紡絲時間對試樣透氣量的影響曲線如圖2所示。由圖2可以看出，隨著紡絲時間的增加透氣性能總體呈下降趨勢，且紡絲時間從1.0h到1.5h透氣量驟降，從1.5h到2.5h透氣量變化不大。由于制備的復合微納纖維上層為靜電紡絲納米級纖維，紡絲時間為1h時纖維之間形成的孔隙還較多，且較大，透氣量最大；當紡絲時間達1.5h時，纖維之間的所形成的孔隙變小，且隨著紡絲時間繼續增加，纖維相互層疊、交錯所形成的孔隙變化率減小，所以1.5h以后的透氣量變化幅度較小。但隨著紡絲時間的增加，纖維之間形成的孔隙整體趨勢是變小，所以透氣量整體呈下降趨勢。同時，紡絲時間為1.0h的試樣透氣性最好，其平均透氣率達594.2L/(m2·s)。

圖2　紡絲時間對試樣透氣量的影響

根據國家標準GB2626—2006《呼吸防護用品-自吸過濾式防顆粒物呼吸器》可知，在檢測氣流量為(85±1)L/min時，吸氣阻力不超過350Pa。即試樣壓差達到350Pa時，氣流量應大于(85±1)L/min，。從圖2可見，試樣的透氣性能良好。

2.3復合微納纖維透濕性能

紡絲時間為0h的試樣，即活性碳纖維布，透濕率為32.9g/m2·h。隨著紡絲時間的增加，試樣的透濕率呈下降趨勢，如圖3所示，且變化較小，在29.0～31g/m2·h之間?？梢?，在活性碳纖維布上面復合一層靜電紡絲纖維后，對其透濕性能的影響不大。所以可將該復合微納纖維用作面罩的芯層材料或其他防護用具的過濾芯層，舒適度高，有望解決目前市場上防護用具透濕性差的問題。

圖3　紡絲時間對透濕率的影響

2.4復合微納纖維吸附性能

利用稱重法考察復合微納纖維對苯、甲苯、環己烷、二硫化碳和丙酮這些常見揮發性有機氣體的吸附能力，測試結果如表2數據所示。其對二硫化碳的吸附量最大，接近300mg/g；對環己烷的吸附量最小，為207.9mg/g；但對5種常見揮發性有機氣體的吸附量均達200mg/g，所以該復合纖維對一些常見有機氣體的吸附效果較為理想。

表2試樣對常見揮發性有機氣體的吸附量

吸附物苯甲苯環己烷二硫化碳丙酮吸附量/(mg/g)256.7254.1207.9295.5247.3

2.5復合微納纖維過濾性能

過濾測試結果表明，僅使用活性碳纖維布對2μm的顆粒物和0.5μm的顆粒物過濾效率很差；而復合纖維的過濾效果明顯提高。為了證明實驗結果，將經過過濾測試紡絲時間為1h的試樣上層靜電紡絲纖維與活性碳纖維分離(如圖4所示)，觀察靜電紡絲纖維背面。圖4(a)為過濾2μm的顆粒物結果照片，圖4(b)為過濾0.5μm的顆粒物結果照片，均無顆粒物粘附和透過，進而說明復合微納纖維具有良好的過濾細顆粒物的性能。

圖4　紡絲時間1.0h試樣過濾性能測試結果照片

根據上述對試樣透氣、透濕、吸附和過濾性能測試結果對比發現，紡絲時間1.0h的試樣其平均透氣量達594.2L/m2·s，吸附性能與活性碳纖維相當，且對常見揮發性有機氣體吸附效果較為理想，同時可基本過濾0.5～2μm顆粒物。因而選其進行進一步的實際過濾性能測試。以打印機中的碳粉和二手煙作為過濾顆粒物，測試方法與上述過濾性能測試方法類似。

過濾碳粉測試結果如圖5(a)，可以看出碳粉粒徑約為4～10μm，且為不規則顆粒物。經過濾測試，碳粉被滯留在復合纖維表面。過濾二手煙顆粒物測試結果如圖5(b)電鏡照片所示，顆粒物被阻隔在復合纖維表層，因此該復合微納纖維能有效過濾碳粉和二手煙顆粒物。

圖5　過濾性能實測結果電鏡照片

以上對復合微納纖維的透氣、透濕、過濾及吸附性能測試結果表明，紡絲時間為1.0h的試樣其性能已經較好，可以滿足防護用品的過濾芯層的要求，同時具有吸附和過濾的雙重功能。

3　結　論

a)通過靜電紡絲技術可以制備具有吸附和過濾雙功能的復合微納纖維。

b)復合微納纖維透氣、透濕性能很好，隨著紡絲時間的增加透氣性能總體呈下降趨勢，但對透濕性能基本無影響。同時復合微納纖維具有較好的吸附和過濾性能。

c)紡絲時間為1.0h的試樣平均透氣量達594.2L/m2·s，透濕性與活性碳纖維相當；對常見揮發性有機氣體的最大吸附量接近300mg/g，對0.5～10μm的顆粒物基本可以過濾。所以紡絲時間為1.0h的試樣其性能已經較為理想，有望可以用于防護用品的過濾芯層。

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[9] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 12704.1-2009紡織品織物透濕性試驗方法-第1部分：吸濕法[S].北京:中國標準出版社,2009.

(責任編輯：康鋒)

收稿日期：2015-04-15

基金項目：國家自然科學基金重點項目(51133006)

作者簡介：王宇(1995-)，女，陜西洛南人，本科生，研究方向為功能高分子材料。 通信作者：呂汪洋，E-mail:luwy@zstu.edu.cn

中圖分類號：TU834.8

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X(2016)01-0014-04

Preparation and Performance of Adsorption-Filtration Bifunctional Micro-nano Composite Fibers

(National Engineering Lab for Textile Fiber Materials & Processing Technology(Zhejiang), Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018)

Abstract：Micro-nano composite fibers with adsorption and filtration functions were prepared by forming a fibrous membrane with nanopore structure on the surface of active carbon fibers with electrospinning method. The test results show that the composite fibers have a strong adsorption capacity of active carbon fibers and the adsorption saturation capacity for common volatile organic pollutant is up to 295.5mg/g. The nanopore structure formed by electrospinning can effectively filter airborne fine particulate matters, and can completely filter 0.5～10 μm particles. In addition, the test results show that the micro-nano composite fibers have good air permeability and moisture permeability, and the effect of electrospinning time on air permeability and moisture permeability are also be discussed.

Key words：micro-nano composite fibers; electrospinning; active carbon fiber; adsorption; filtration