防靜電、高效低阻靜電紡亞微米纖維基復合凈化材料的制備

張曉玲，劉太奇

(1.北京石油化工學院 環境材料研究中心，北京 102617；2.北京石油化工學院 航天材料研究所，北京 102617；3.北京化工大學 材料科學與工程學院，北京 100029)

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防靜電、高效低阻靜電紡亞微米纖維基復合凈化材料的制備

張曉玲1,3，劉太奇1,2

(1.北京石油化工學院 環境材料研究中心，北京 102617；2.北京石油化工學院 航天材料研究所，北京 102617；3.北京化工大學 材料科學與工程學院，北京 100029)

研究了一種過濾效率高，過濾阻力小，同時具有防靜電吸附性能的復合空氣夾心凈化材料的制備方法。該材料中間層為亞微米纖維膜，上、下兩層分別為耐高溫材料玻璃纖維和預過濾層工業濾布。通過對此復合材料電阻率以及過濾效率的測定表明，這種過濾材料對粒徑為2 μm顆粒的過濾效率可以達到99.93%，同時壓力降只有490 Pa；在夾心層纖維中加入一定比例的碳黑顆粒，可提高導電性，以改善材料靜電性能。當加入5%納米碳黑顆粒后，夾心凈化材料的電阻率由5.8×1010Ω·m降為6.0×109Ω·m，有明顯降低。

過濾材料；高效低阻；導電顆粒；防靜電性能

隨著社會進步和人們生活水平的提高，過濾器尤其是高效空氣粒子(HEPA)過濾器、超低穿透率空氣(ULPA)過濾器越來越廣泛地應用于各個領域，如微電子、制造工業、醫院、食品業、化妝品行業、環保業、核工業及軍事領域等[1]?？諝庵蠵M2.5和PM10給人們的生活帶來了越來越大的影響。傳統的空氣過濾材料主要包括石棉纖維、聚酯與聚丙烯腈等合成纖維、玻璃纖維等，其對亞微米微粒以及其他較小病原體難以實現有效過濾[2]。由靜電紡納米纖維制備的空氣過濾材料比傳統過濾材料能更有效地去除空氣中的有害物[3]。此外，傳統過濾材料容易產生靜電。自20世紀60年代起，人們開發了導電纖維，這類纖維的導電基于自由電子，因此無濕度依賴性，它只需在織物中混入0.01%～5%的導電顆粒，就可解決靜電問題[4]。

本文通過在聚苯乙烯(PS)中加入導電物質碳黑制備出PS纖維，含碳黑的PS纖維與玻璃纖維和工業濾布通過實驗室自制熱壓設備進行熱壓，成功制備出過濾效率高、壓力降小和電阻率降低的復合空氣凈化材料。

1 試驗部分

1.1 原料與試劑

PS：平均分子量為140 000，北京化學試劑公司；N-N二甲基甲酰胺(DMF)：分析純，北京化工廠；乙炔碳黑：20～40 nm，天津金秋實化工有限公司；玻璃纖維：規格10 cm×10 cm，江蘇九鼎基團股份有限公司；工業濾布：5 000目，杭州永騰工業濾布有限公司；白炭黑：2 μm，河北燕邦華工科技有限公司；蒸餾水：艾科浦超純水系統(AFZ-1002-U)，重慶頤洋企業發展有限公司。

1.2 導電纖維的制備

分別將0.077、0.158和0.243 g碳黑加入15 g DMF中，磁力攪拌12 h，均勻分散；再加入3 g PS，溶于DMF中，磁力攪拌20 h，配制成PS質量分數為20%，碳黑與PS的質量比分別為1∶39、1∶19和3∶37的混合溶液。超聲共振10 min后，將所配溶液進行靜電紡絲，電壓分別為15、18和21 kV，采用7號針頭，鋁箔與噴頭間的距離為10 cm[5]。

1.3 復合夾心過濾材料的制備

選定碳黑與PS質量比及紡絲電壓后，通過靜電紡絲將摻雜碳黑的PS亞微米纖維電紡于工業濾布上，再通過熱壓裝置將單面含有亞微米纖維層的工業濾布與玻璃纖維進行熱壓粘結，其中亞微米纖維層為中間層。工業濾布與玻璃纖維的規格均為10 cm×10 cm，輥筒溫度為102 ℃，兩輥間隙為0.3 mm。

1.4 夾心凈化材料電阻率測試

將尺寸為10 cm×10 cm的夾心凈化材料放入ZC36型高阻計進行測試。讀取電流值I、電壓值U，通過式1、式2計算凈化材料的電阻率ρV。其中，厚度d為三點厚度的平均值[6]。

(1)

(2)

式中，r為圓盤半徑，取2.5 cm；d為材料厚度；RV為材料電阻。

最后，通過比較加入碳黑后凈化材料電阻率變化來判斷其靜電性能。

1.5 夾心凈化材料壓力降測試

根據U型管壓強計原理，使用實驗室自行研制裝置讀取水柱高度差h，根據式3計算壓力降P[7]。

P=ρgh

(3)

式中，ρ為水的密度，取1.0×103kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；h為水柱高度差。

通過控制紡絲時間，即纖維層厚度，進而調節壓力降大小，以平衡壓力降和過濾效率。

1.6 夾心凈化材料過濾性能測試

白炭黑(SiO2)粒徑較均勻，平均直徑為2 μm，能較好地分散在蒸餾水中，濁液的濁度值能直接反映溶液濃度。利用白炭黑和去離子水配制120 NTU的濁液，采用死端抽濾法，測量過濾前、后濁液濁度值C，通過式4計算過濾效率SF[8]。

(4)

式中，C1、C2分別是過濾前、后濁液的濁度值，單位為NTU(1 NTU=1 mg/L懸浮體)。

2 結果與討論

2.1 導電纖維形貌

2.1.1 電壓對纖維直徑的影響

碳黑與PS質量比為1∶19條件下，不同紡絲電壓時PS纖維的平均直徑見表1。從表1中可以看出，隨著靜電紡絲電壓的增加，纖維直徑減小[9]，且纖維均勻，形貌良好。所以選擇紡絲電壓為18 kV。

表1 不同紡絲電壓下纖維的平均直徑

2.1.2 碳黑含量對纖維直徑的影響

摻雜不同含量碳黑后纖維的平均直徑見表2。從表2中可以看出，隨著碳黑含量的增多，纖維平均直徑由1 736 nm減小到1 368 nm，且纖維均勻，形貌良好。此規律可從式5得到解釋[10]：隨著碳黑含量的增多，液滴表面電荷增多，介電常數ε0增大，從而導致液滴表面直徑減小。由于碳黑與PS質量比為3∶37時紡絲困難，所以選擇碳黑與PS質量比為1∶19。

(5)

式中，Q為球體表面總電荷；ε0為介電常數；γ為液體表面張力；R為液滴表面直徑。

表2 不同碳黑含量下纖維的平均直徑

2.2 夾心凈化材料

作為基材的工業濾布的掃描電子顯微鏡(SEM)圖如圖1所示，夾芯材料SEM圖如圖2所示。

圖1 空白工業濾布SEM圖

圖2 夾芯材料SEM圖

2.3 夾心復合材料的導電性能

碳黑與PS質量比為1∶19和不含碳黑的電阻率對比表見表3。從表3中可以看出，碳黑的加入使電阻率由5.8×1010Ω·m降為6.0×109Ω·m，直接改善了其靜電性能，從而降低了靜電吸附影響。

表3 夾芯材料電阻率對比表

2.4 夾心復合材料的壓力降和過濾性能

在碳黑與PS質量比為1∶19，紡絲時間分別為4、10 min時，夾心凈化材料空氣中對應的壓力降見表4。從表4中可以看出，工業濾布過濾阻力為284 Pa；當紡絲時間越長，即纖維層越厚時，過濾層孔徑減小，導致過濾阻力增大。

表4 不同紡絲時間條件下夾芯材料的壓力降

碳黑與PS質量比為1∶19條件下，紡絲時間分別為4、10 min時，夾心凈化材料過濾白炭黑時的過濾效率見表5。從表5可以看出，工業濾布起著預過濾的作用，加入纖維層后過濾效率由23.67%提高到99.93%；當紡絲時間越長，即纖維層越厚時，過濾層孔徑減小，從而夾心材料過濾效率增大；在過濾效率增大的同時，所需要的壓力降也增大。

表5 不同紡絲條件下過濾效率對比

3 結語

本文成功制備出過濾效率高，過濾阻力小，具有一定抗靜電性能的亞微米基夾心復合材料，其中，夾心材料中亞微米纖維層起著提高過濾效率與抗靜電的作用[11]。當碳黑與PS質量比為1∶19時，夾心材料電阻率由5.75×1010Ω·m降為5.96×109Ω·m，其導電性能得到了改善，從而降低了靜電吸附帶來的影響。夾心材料能夠過濾的顆粒大小隨紡絲時間顯著增大，過濾效率隨著纖維厚度的增加而增大，同時所需壓力降也會增大。本文中電紡時間為4 min時，過濾效率高，壓力降小。

[1] 劉來紅，朱玲英.高效空氣過濾材料的發展與特點[J].產業用紡織品，2005(4):6-8.

[2] Barhate R S, Ramakrishna S. Nanofiberous filtering media: Filtration problems and solutions from tiny materials[J]. Journal of Membrane Science, 2007, 296(1):1-8.

[3] Phillip G, Heidi S G, Donald R. Transport properties of porous membranes based on electrospun nanofibers[J]. Colloids & Surfaces A Physicochemical & Engineering Aspects, 2001, 187-188:469-481.

[4] 翟德方，孫云芳.DOI含碳黑的導電復合纖維[J]. 合成纖維，1983(6)：38-42.

[5] 任峰，劉太奇.夾心式納米超凈化材料的制備及凈化除菌性能[J]. 高分子材料科學與工程，2008,24(5)：135-138.

[6] 周復忠.關于用公式R=U/I、R=ρl/S和R=△U/△I求電阻的討論[J]. 物理教師，2015,36(8)：57-58.

[7] 田春梅.淺談公式P=F/S和P=ρgh的關系及應用[J].物理教學探討，2008,26(14):18-19.

[8] Gopal R, Kaur S, Ma Z W, et al. Electrospun nanofiberous filtration membrane[J]. Journal of Membrane Science, 2006, 281(1/2):581-586.

[9] 邵東峰. 靜電紡絲工藝參數對制備聚丙烯腈納米纖維的影響[J]. 山東紡織科技，2007(5)：53-56.

[10] Doshi J, Reneker D H. Electrospinning process and applications of electrospun fibers[J]. Journal of Electrostatics, 1995, 35(2):151-160.

[11] 劉瑞雪，劉太奇，操彬彬. PVA納米絲基夾心凈化材料的結構與過濾性能[J].高分子材料科學與工程，2012,28(8):68-71.

責任編輯 鄭練

Preparation of Anti-static, Low Resistance and High Efficient Electrospun Submicron Fiber based on Composite Purification Material

ZHANG Xiaoling1,3, LIU Taiqi1,2

(1.Research Center of Ecomaterial, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;2.Aerospace Materials Research Institute, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;3.College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

A novel composite air purification material with high filtering efficiency, low resistance and anti-static adsorption properties is prepared. The intermediate layer of the material is submicro-fiber membrane, and the upper and lower layers are high temperature resistant glass fiber materials and pre-filtration layer industrial fiber respectively. The resistivity and filtration efficiency of this composite material is analyzed. The results show that the filtration efficiency for particles of 2 μm can reach 99.93%, while the pressure is only 490 Pa. A certain proportion of carbon black particles is added in the sandwich layer fibers to improve the electrostatic property of the material. The resistivity of this sandwich purification material significantly reduces from 5.8×1010Ω·m to 6.0×109Ω·m after the addition of 5% nano-carbon black particles in the inner submicro-fiber membrane, and this is the reason that the electrostatic property of the sandwich material has been improved.

purification material, high efficiency and low resistance, conductive particles, anti-static property

TQ 34

A

張曉玲(1991-)，女，碩士研究生，主要從事納米材料等方面的研究。

劉太奇

2016-06-24