不同填充密度的梯度結(jié)構(gòu)復合濾材的制備及其性能

申 瑩，鄧炳耀，劉慶生，夏賽男，姚鵬飛

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

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不同填充密度的梯度結(jié)構(gòu)復合濾材的制備及其性能

申 瑩，鄧炳耀，劉慶生，夏賽男，姚鵬飛

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫 214122)

為使濾材在同等過濾效率下具有較低的過濾阻力，以聚丙烯(PP)為原料，用熔體靜電紡絲技術(shù)在線制備了纖維填充密度不同的梯度結(jié)構(gòu)復合濾材。研究了不同收卷速度下制備的復合濾材的過濾效率，發(fā)現(xiàn)復合濾材的過濾效率隨收卷速度的增加而降低；選擇3種不同收卷速度制備出3種同等厚度的纖維網(wǎng)，并計算其對應(yīng)的纖維填充密度；最后在聚丙烯紡粘非織造基材上直接沉積3層不同填充密度的纖維網(wǎng)，經(jīng)熱壓制備梯度結(jié)構(gòu)復合濾材。結(jié)果表明，在同等過濾效率下，纖維填充密度不同的梯度結(jié)構(gòu)復合濾材具有低阻特性，對粒徑大于等于2.0 μm顆粒的過濾效率最高達87.0%，過濾阻力為8.0 Pa，透氣率為187.0 mm/s。

熔體靜電紡；聚丙烯；纖維填充密度；梯度濾材；過濾性能

在空氣污染日益嚴峻的形勢下，過濾材料的研究受到越來越多研究者的重視。近年來，熔體靜電紡因其紡絲過程更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟，所以在生物、醫(yī)學、過濾等方面的應(yīng)用較有優(yōu)勢[1]，而在過濾方面的應(yīng)用大都是將纖維網(wǎng)與非織造布復合[2-5]，但是由于濾材的過濾效率與過濾阻力成反比[5]，會降低濾材的耐用性，增加經(jīng)濟成本。梯度結(jié)構(gòu)濾材的開發(fā)大大降低了材料的過濾阻力，即采用不同種類[6-7]或不同直徑的纖維[8]制備層狀結(jié)構(gòu)的復合濾材，使得所制備濾材充分發(fā)揮每層的過濾作用[9]。

本文研究采用實驗室自制的熔體靜電紡-熱壓復合聯(lián)合機，將不同纖維填充密度的熔體靜電紡纖維網(wǎng)與聚丙烯(PP)紡粘非織造布復合，設(shè)計了6種纖維填充密度不同的梯度結(jié)構(gòu)復合濾材，所制備濾材在同等過濾條件下具有較低的過濾阻力，并對復合濾材的結(jié)構(gòu)和過濾性能進行表征。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：PP母粒(纖維級，韓國Poly Mirae公司)，熔體流動速率為1 100 g/10 min(溫度230 ℃、負荷2.16 kg)；PP紡粘非織造布(購自常州輔料市場)，面密度為25 g/m2。

儀器：自制熔體靜電紡絲-熱壓復合聯(lián)合機，裝置剖面如圖1所示；YG141D型織物厚度儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)；YG002C型纖維細度儀(南京思貝科測試儀器有限公司)；CFP-1100A型毛細管流動分析儀(美國施多威爾公司)；LZC-H型濾材綜合性能測試臺(蘇州華達儀器設(shè)備有限公司)。

圖1 熔體靜電紡-熱壓復合聯(lián)合機Fig.1 Melt-electrospinning and hot-pressing combined machine

1.2 梯度結(jié)構(gòu)濾材的制備

紡絲溫度為240 ℃，紡絲電壓為41 kV，接收距離為7 cm，所紡纖維直徑為6.01 μm。首先，研究了不同收卷速度(3.25、6.50、9.75、13.00、16.25和19.50 cm/min)所紡復合濾材的過濾性能；然后，根據(jù)測試結(jié)果選擇3個收卷速度；最后，在基材上直接沉積3層不同填充密度的纖維網(wǎng)，經(jīng)熱壓復合制備梯度結(jié)構(gòu)濾材，并對其結(jié)構(gòu)和過濾性能進行測試，每種復合濾材均在90 ℃、0.4 MPa條件下復合而成。

1.3 測試方法

1.3.1 復合濾材的外觀形貌

用纖維細度儀觀察復合濾材的形貌，放大倍數(shù)為200。

1.3.2 厚度測試

參照GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》，采用織物厚度儀測試復合濾材的厚度。所用壓腳面積為100 mm2，壓重砝碼為50 cN，壓重時間為10 s，每個試樣隨機選擇10個位置測試，結(jié)果取平均值。

1.3.3 纖維填充密度

纖維填充密度的大小與材料中纖維排列的緊密程度直接相關(guān)[10]，其計算公式為

(1)

式中：n為纖維填充密度，%；m為材料的質(zhì)量，g；v為材料的體積，cm3；ρ為纖維的密度，0.9 g/cm3。

1.3.4 孔結(jié)構(gòu)測試

用毛細管流動測試儀，表征復合濾材的孔徑及孔徑分布。根據(jù)下式計算復合濾材的孔隙率[10]。

(2)

式中：η為濾材的孔隙率，%；w為濾材的面密度，g/m2；ρ為纖維密度，0.9 g/cm3；δ為濾材的厚度，mm。

1.3.5 過濾性能測試

參照GB 19083—2010《醫(yī)用防護口罩技術(shù)要求》，用濾材綜合性能測試臺測試材料對不同粒徑顆粒的過濾效率及過濾阻力；參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，對濾材在5 Pa壓差下的透氣性進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 復合濾材的結(jié)構(gòu)

不同收卷速度(3.25、6.50、9.75、13.00、16.25、19.50 cm/min)下制備的復合濾材分別記為3S、6S、9S、13S、16S、19S，其孔徑測試結(jié)果見表1。由表可知：與基材相比，復合1層纖維網(wǎng)后濾材的孔徑明顯減小；不同收卷速度下制備的復合濾材的孔徑隨著收卷速度的增加而增大，這是因為收卷速度的增加使基布上沉積的纖維量減少[3]。

表1 不同收卷速度下制備的復合濾材的孔徑Tab.1 Pore sizes of composite materials prepared at different rolling-up speeds μm

注：S為基材樣品。

2.2 復合濾材的過濾性能

對不同收卷速度下所制備的復合濾材的過濾效率、過濾阻力和透氣率進行測試，結(jié)果如表2所示。由表可知：與基材相比，復合1層纖維網(wǎng)的復合濾材其過濾效率和過濾阻力增加，透氣率降低，這是因為復合后濾材的孔徑減小(見表1)；不同收卷速度下制備的復合濾材其過濾效率和過濾阻力隨收卷速度的增加而降低，透氣率增加。

表2 不同收卷速度下制備的復合濾材的過濾性能Tab.2 Filtration efficiency of composite materials prepared at different rolling-up speeds

注：S為基材樣品。

2.3 收卷速度的選擇

根據(jù)不同收卷速度下制備的復合濾材過濾效率，選擇收卷速度分別為3.25、9.75、16.25 cm/min。在此速度下改變紡絲時間(15、10、9 min)，制備3層厚度均為0.30 mm的纖維網(wǎng)，分別命名為M3、M9、M16，其形貌照片如圖2所示。并根據(jù)式(1)計算每層纖維網(wǎng)的填充密度：M3為2.1%；M9為1.0%；M16為0.6%。

圖2 不同纖維填充密度纖維網(wǎng)的光學顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Optical microscope images of fiber nets with different fiber packing densities

2.4 復合濾材的結(jié)構(gòu)與性能表征

2.4.1 復合濾材的梯度結(jié)構(gòu)

本文實驗設(shè)計了6種纖維填充密度不同的梯度結(jié)構(gòu)復合濾材，分別命名為A、B、C、D、E和F，制備3個等厚度的常規(guī)濾材，分別命名為G、H和I，濾材A自上而下分別由M3、M9、M16和基材復合而成，其余濾材結(jié)構(gòu)如表3所示。每種結(jié)構(gòu)濾材的孔徑及孔徑分布表征結(jié)果如圖3所示。

表3 復合濾材的梯度結(jié)構(gòu)Tab.3 Structures of gradient composite filter materials

注：測試時的氣流由濾材的第1層進入。

圖3 復合濾材的孔徑及孔徑分布Fig.3 Pore sizes and pore size distributions of composite materials

由圖3可知，6種梯度結(jié)構(gòu)復合濾材的平均孔徑均在61.00 μm左右，但最大、最小孔徑及孔徑標準差存在一定差異，此外，這6種梯度結(jié)構(gòu)復合濾材的孔徑均大于常規(guī)復合濾材G，這是因為G除基材層以外，其他3層均由纖維填充密度最大的纖維網(wǎng)復合而成。而3種普通復合濾材的孔徑，隨著纖維填充密度的降低而逐漸增大，原因是纖維填充密度越小，纖維間的空隙越大(見圖2)。

2.4.2 梯度結(jié)構(gòu)復合濾材的過濾性能

表4 復合濾材的過濾性能Tab.4 Filtration efficiency of composite materials

表4示出復合濾材的過濾性能。由數(shù)據(jù)可知，6種梯度結(jié)構(gòu)復合濾材對各粒徑顆粒的過濾效率均高于H和I，與G接近，然而，雖然6種梯度結(jié)構(gòu)濾材的孔徑、厚度、面密度等基本相同，但是對不同粒徑顆粒的過濾效率、過濾阻力和透氣率存在差異，這是因為每種復合濾材內(nèi)纖維網(wǎng)的排列順序不同，且最大、最小孔徑存在差異，使得濾材在過濾過程中同時發(fā)生作用的過濾機制不同，其中，A的過濾效率幾乎與G的相同，但是過濾阻力比G小1倍多，透氣率是G的2.5倍。此外，因為梯度結(jié)構(gòu)濾材A內(nèi)部不同纖維填充密度的纖維網(wǎng)構(gòu)成一個喇叭口狀，在發(fā)揮了每層過濾作用的同時，降低了濾材的過濾阻力。該結(jié)構(gòu)的復合濾材對粒徑大于等于2.0 μm的顆粒的過濾效率最高達87.0%，過濾阻力為8.0 Pa，透氣率為187.0 mm/s。

2.4.3 梯度結(jié)構(gòu)復合濾材的孔隙率

通過式(2)計算每種復合濾材的孔隙率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 復合濾材的孔隙率Fig.4 Porosities of composite materials

由圖4可知，復合濾材中I的孔隙率最大，為86.0%，G的孔隙率最小，為81.8%，這是因為在同等厚度下，纖維填充密度越大濾材內(nèi)的孔隙率越低。6種梯度結(jié)構(gòu)復合濾材的孔隙率均大于G，小于F和I，這是因為梯度結(jié)構(gòu)濾材中含有不同填充密度的纖維網(wǎng)。此外，因每層纖維網(wǎng)是直接沉積在基材上，所以6種梯度結(jié)構(gòu)濾材的孔隙率略有差異。

3 結(jié) 論

通過對熔體靜電紡復合濾材的纖維填充密度調(diào)控制備了6種梯度結(jié)構(gòu)濾材，在同等過濾效率下均具有低阻的特性。其中，濾材A的孔徑結(jié)構(gòu)由上而下形成一個喇叭口狀而過濾阻力最小，透氣率最高，對粒徑大于等于2.0 μm的顆粒的過濾效率最高達87.0%，過濾阻力為8.0 Pa，透氣率為187.0 mm/s。本文實驗結(jié)果為高效低阻過濾材料的開發(fā)提供了參考，若進一步降低熔體靜電紡所紡纖維直徑，會使本文實驗設(shè)計復合濾材的高效低阻特性更顯著。

FZXB

[1] HUTMACHER D W, DALTON P D. Melt electrospinning[J]. Chemistry-An Asian Journal, 2011, 6(1): 44-56.

[2] 李莘, 徐陽，王愛民. 熔體靜電紡PET復合過濾材料的制備及性能研究[J]. 工程塑料應(yīng)用, 2013, 41(12): 612-618. LI Shen, XU Yang, WANG Aimin. Preparation and properties of PET melt-elelctrospinning composite filter material[J]. Engineering Plastics Application, 2013, 41(12): 612-618.

[3] 李莘, 徐陽, 宋明玉, 等. 熔體靜電紡熱壓PET復合過濾材料的制備工藝研究[J].工程塑料應(yīng)用, 2014, 42(10): 51-54. LI Shen, XU Yang, SONG Mingyu, et al. Preparation technology of melt elecrospinning hot pressing PET composite filter material[J]. Engineering Plastics Application, 2014, 42(10): 51-54.

[4] 李小虎, 張有忱, 丁玉梅, 等. 熔體靜電紡絲制備高通量微濾膜[J]. 合成纖維, 2014, 43(8): 35-39. LI Xiaohu, ZHANG Youchen, DING Yumei, et al. High-flux microfiltration membrane prepared by melt elecrospinning[J]. Synthetic Fiber in China, 2014, 43(8): 35-39.

[5] LEE S, OBENDORF S K. Developing protective textile materials as barriers to liquid penetration using melt electrospinning[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2006, 102(4): 3430-3437.

[6] 嚴長勇, 王成彪, 沈桓根. HBT“梯度”復合濾材的過濾性能研究及應(yīng)用[J]. 建筑熱能通風空調(diào), 2007, 26(4): 100-103. YAN Changyong, WANG Chengbiao, SHEN Huangen. The research on the filter performance and application of HBT ″Echelon″ compound filter media[J]. Building Energy Environment, 2007, 26(4): 100-103.

[7] LI P, WANG C, LI Z, et al. Hierarchical carbon-nanotube/quartz-fiber films with gradient nanostructures for high efficiency and long service life air filters[J]. RSC Advances, 2014, 96(4): 54115-54121.

[8] 敖慶波, 湯慧萍, 朱紀磊, 等. FeCrAl纖維混合氈的吸聲性能[J]. 功能材料, 2013, 44(6): 780-782. AO Qingbo, TANG Huiping, ZHU Jilei, et al. The sound absorption properties of FeCrAl mixed felt[J]. Journal of Functional Materials, 2013, 44(6): 780-782.

[9] 溫變英. 聚合物梯度結(jié)構(gòu)的制備及材料結(jié)構(gòu)與性能研究[D]. 北京: 北京化工大學, 2003: 4-6. WEN Bianying. Preparation, structure and property studies of polymeric gradient matreials[D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2003: 4-6.

[10] 簡小平. 非織造布空氣過濾材料過濾性能的研究[D].上海: 東華大學, 2013: 27. JIAN Xiaoping. Study on filtration performance of nonwoven air filtering material[D]. Shanghai: Donghua University, 2013: 27.

Preparation and properties of gradient filter materials with different packing density

SHEN Ying, DENG Bingyao, LIU Qingsheng, XIA Sainan, YAO Pengfei

(KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to prepare filter with low resistance performance under the same filtration efficiency, the combined melt-electrospinning and hot-pressing device was used to prepare fiber packing density gradient composite filters with polypropylene (PP) as raw material. Firstly, the filtration efficiency of the composite filters prepared under different rolling-up speeds was studied. It is found that the filtration efficiency of composite filters decreases with the increase of the rolling-up speed. Secondly, three rolling-up speeds were selected to prepare three fiber nets with the same thickness, and then their packing densities were calculated. Finally, the fiber nets with different packing densities were combined with PP spun bonded nonwoven to prepare gradient filters. The results show that the obtained composite filters with gradient structure have low resistance under the same filtration efficiency. In addition, the filtration efficiency of particles with a particle size greater than or equal to 2.0 μm is 87.0%, the filtration resistance is 8.0 Pa, and the air permeability is 187.0 mm/s.

melt-electrospinning; polypropylene; fiber packing density; gradient filter material; filtration property

10.13475/j.fzxb.20160902105

2016-09-13

2017-04-07

國家自然科學基金項目(51403084)；江蘇省自然科學基金項目(BK20130142)；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項目(BA2012021)；江南大學食品膠體與生物技術(shù)教育部重點實驗室資助項目(JDSJ2013-05)；浙江省成紗組合加工技術(shù)重點實驗室開放工程項目(嘉興大學) (MTC2014-008)

申瑩(1992—)，女，碩士生。主要研究方向為非織造材料。鄧炳耀，通信作者，E-mail：bydeng@jiangnan.edu.cn。

TS 174.1

A