串珠纖維對靜電紡纖維復合濾紙結構和性能的影響

2021-11-01 06:57:14陸麗莉孫召霞唐

中國造紙 2021年9期

陸麗莉余嬌孫召霞唐敏梁云

（華南理工大學輕工科學與工程學院，廣東廣州，510640）

中東呼吸綜合征、新冠肺炎等流行病的爆發和持續的空氣污染，使得控制空氣質量成為人們關注的焦點，過濾防護設備逐漸成為日常必需品。研究和開發高效低阻纖維過濾紙是當前過濾防護領域的熱點。納米纖維因其直徑小、過濾效率高成為制備高效空氣過濾紙的必需原料，而靜電紡絲技術是目前連續制備納米纖維最直接、最有效的方法，受到許多研究者的關注[1-3]。

但是，靜電紡納米纖維因直徑較小具有致密的結構，使復合濾紙過濾阻力上升較快[4-6]。一些學者發現，可通過在靜電紡絲層中制備帶有微米級串珠的纖維來達到較低的過濾阻力，同時保持較高的過濾效率。Yun等人[7]對比研究了納米纖維、串珠纖維和復合顆粒/納米纖維3種復合過濾紙的過濾性能，發現3種復合過濾紙中，靜電紡串珠纖維復合濾紙對20～300 nm粒徑的顆粒品質因子最高。陳程等人[8]對二醋酸纖維素串珠纖維的研究表明，在納米纖維中加入適量串珠纖維，能夠在保持過濾紙過濾效率相對穩定的情況下，大大減小過濾阻力。Huang等人[9]通過調節聚合物濃度和環境濕度來制備靜電紡串珠纖維復合濾紙，該濾紙對平均粒徑為300 nm的NaCl顆粒過濾效率達99%以上，同時保持著低阻力，在4.2 cm/s的氣流下過濾阻力為27 Pa。所以，探究串珠纖維對復合濾紙過濾性能的影響對高性能濾紙設計具有重要意義。

盡管串珠纖維在空氣過濾紙中的應用已吸引學者們的關注，但大多數學者關注的是濾紙的初始阻力，較少有文獻報道濾紙的容塵量以及加灰過程中的阻力變化，而這2個性能指標反映了濾紙的使用壽命，具有非常大的研究價值。Kim等人[10]對比了基材和聚環氧乙烷靜電紡串珠纖維復合濾紙的阻力變化，分析了基材與靜電紡串珠纖維復合濾紙阻力變化的差異，但并未對有無串珠的復合濾紙之間的阻力變化差異進行分析。本研究主要就此作為研究點之一，對比分析靜電紡串珠纖維復合濾紙和靜電紡納米纖維復合濾紙的容塵量和阻力變化，探究兩者阻力變化的內在機理，旨在為靜電紡纖維復合濾紙的結構與性能之間的關系提供基礎理解，并且從阻力變化的角度為延長材料的使用壽命提供設計思路，為可長期使用的濾紙結構設計提供指導。

1 實驗

1.1 實驗原料

聚苯乙烯（PS），相對分子質量180000，阿拉丁試劑（上海）有限公司；聚丙烯腈（PAN），相對分子質量150000，上海麥克林生化科技有限公司；N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF），分析純，廣州化學試劑有限公司；基材（主要由植物纖維和合成纖維組成），廣州華創化工材料科技開發有限公司。

1.2 紡絲液配制

稱取一定量的PS溶解于DMAC中，將溶液置于磁力攪拌器上常溫攪拌12 h，配置質量分數為15%的PS/DMAC紡絲液；按相同方法配置質量分數為10%的PAN/DMF紡絲液。

1.3 濾紙制備

選擇質量分數為15%的PS/DMAC紡絲液制備靜電紡串珠纖維復合濾紙、質量分數為10%的PAN/DMF紡絲液制備靜電紡納米纖維復合濾紙。于晴[11]的實驗表明，較低聚合物濃度紡絲液可生成串珠纖維，較高聚合物濃度紡絲液可生成無串珠的納米纖維，且纖維直徑隨著聚合物濃度的增大而增大，所以很難在同一紡絲液體系中制備纖維直徑接近的串珠纖維和無串珠的納米纖維，故選擇不同的紡絲液體系制備濾紙。

將紡絲液加入到10 mL的注射器中，并將注射器固定在注射泵上，用內徑為0.4 mm的針頭與注射器相連。針頭與高壓電源正極相連，接收器與高壓電源負極相連并接地，基材固定在接收器圓筒上。靜電紡串珠纖維復合濾紙的紡絲電壓為+9/-3 kV，給料速度為0.075 mm/min，針尖與接收器的距離為12 cm，接收器轉速為120 r/min；靜電紡納米纖維復合濾紙的紡絲電壓為+10/-3 kV，給料速度為0.050 mm/min，針尖與接收器的距離為15 cm，接收器轉速為120 r/min。環境室溫為（26±1）℃，相對濕度為（55±2）%。

通過控制紡絲時間來制備初始過濾阻力接近的靜電紡串珠纖維復合濾紙和靜電紡納米纖維復合濾紙。首先，根據式（1）和式（2）估算制備定量為1 g/m2的靜電紡串珠纖維層所需要的紡絲時間t，在紡絲時間t下制備靜電紡串珠纖維復合濾紙，表征其初始過濾阻力?P1；接著，在不同紡絲時間下制備靜電紡納米纖維復合濾紙，表征其初始過濾阻力?P2；最后，篩選滿足條件（?P2≈?P1）的靜電紡納米纖維復合濾紙作為研究對象。根據實驗探究結果，靜電紡串珠纖維復合濾紙的紡絲時間為25 min，靜電紡納米纖維復合濾紙的紡絲時間為27 min。

靜電紡串珠纖維層的紡絲時間與定量之間關系式如式（1）所示。

當定量為1 g/m2時，紡絲時間計算由式（1）轉化成式（2），則：

式中，G為靜電紡串珠纖維層的定量，g/m2；m為靜電紡串珠纖維層的質量，g；S為基材的接收面積，m2；ρ為PS/DMAC紡絲液的密度，g/cm3；v為PS/DMAC紡絲液的給料速度，mm/min；t為紡絲時間，min；ω為PS的質量分數，%；d為針筒的內徑，cm。

1.4 性能表征

1.4.1 形貌觀察與直徑測量

使用掃描電子顯微鏡（SEM，型號Phenom G2 Pro，荷蘭Phenom-World公司）觀察靜電紡絲層的形貌，通過圖片分析軟件Image J（美國國立衛生研究所）分析串珠和纖維的平均直徑，每一試樣隨機測試50根。

1.4.2 孔徑分布測試

使用毛細流量孔徑測試儀（型號CFP-1100-A，美國PMI公司）按照標準ASTM-F316-03測量復合濾紙的孔徑分布，潤濕液使用PMI公司的專利液體Gal?wick，表面張力15.9 Dynes/cm。

1.4.3 厚度測量

使用手提式厚度儀（型號YG142，寧波紡織儀器廠）按照標準GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》測量復合濾紙的厚度。

1.4.4 透氣度測試

使用透氣度儀（型號FX3300-IV，瑞典TESTEXT公司）按照標準GB/T 5453—1997《紡織品——織物透氣性的測試》測量復合濾紙的透氣度，測試壓差為200 Pa，測試面積為20 cm2。

1.4.5 初始過濾阻力和效率測試

使用氣體透過自動測試臺（型號TSI8130，美國TSI公司）按照標準EN143測量濾紙的初始過濾阻力和過濾效率，測試面流速為5.3 cm/s，測試面積為100 cm2，NaCl顆粒的質量中值粒徑為0.26μm。

1.4.6 容塵量測試

使用單張濾紙效率試驗臺（型號MFP3000，德國PALAS公司）按照標準ISO 5011測量濾紙的容塵量，測試面流速為11.1 cm/s，測試面積為100 cm2，測試灰為ISO 12103-1 A1灰，測試灰濃度為200 mg/m3，終止阻力為2000 Pa。

2 結果與討論

2.1 結構分析

基材、靜電紡串珠纖維復合濾紙和靜電紡納米纖維復合濾紙的SEM圖如圖1所示。從圖1（b）可以看出，靜電紡串珠纖維復合濾紙的紡絲層為纖維-串珠共存的結構，纖維平均直徑為225 nm，直徑分布范圍為100～400 nm，珠粒的平均直徑為4.68μm，大小在1.15～7.24μm范圍內；從圖1（c）可以看出，靜電紡納米纖維復合濾紙的紡絲層是較致密的結構，纖維平均直徑為250 nm，直徑分布范圍為190～400 nm；靜電紡串珠纖維復合濾紙和靜電紡納米纖維復合濾紙的紡絲層纖維平均直徑大小相近。

圖1 復合濾紙SEM圖Fig.1 SEM images of composite filter media

2.2 基本性能分析

基材、靜電紡串珠纖維復合濾紙和靜電紡納米纖維復合濾紙的基本性能測試結果如表1所示。從表1可知，兩種復合濾紙的平均厚度與基材接近，靜電紡串珠纖維復合濾紙略厚于靜電紡納米纖維復合濾紙，說明靜電紡絲層只是薄薄的一層結構，對厚度的影響不大。復合靜電紡絲層后，基材透氣度從302 mm/s分別減小至270 mm/s、265 mm/s，2種復合濾紙的透氣度接近。平均孔徑從17.4μm分別減小至16.2μm、4.4μm，最大孔徑從42.9μm分別減小至42.8μm、33.9μm，靜電紡串珠纖維復合濾紙的平均孔徑和最大孔徑均大于靜電紡納米纖維復合濾紙。

表1 復合濾紙基本性能測試結果Table 1 Basic properties of the filter media

圖2是復合濾紙的孔徑分布圖，復合濾紙的孔徑分布間接反映了纖維網絡的結構情況[11]。從圖2可以看出，兩者的孔徑分布差異非常顯著，靜電紡串珠纖維復合濾紙孔徑分布范圍在4～42μm，主要集中在6～32μm；靜電紡納米纖維復合濾紙孔徑分布在2～19μm之間，主要集中在4～6μm。靜電紡串珠纖維復合濾紙孔徑分布比靜電紡納米纖維復合濾紙廣，這主要與濾紙結構相關。靜電紡串珠纖維復合濾紙的珠粒使纖維之間的距離增大，且靜電紡串珠纖維復合濾紙的紡絲層均勻性低于靜電紡納米纖維復合濾紙，2個因素共同作用使靜電紡串珠纖維復合濾紙孔徑分布更廣。

圖2 復合濾紙孔徑分布Fig.2 Pore size distribution of composite filter media

2.3 過濾性能分析

2.3.1 初始過濾阻力和過濾效率分析

過濾阻力和過濾效率是濾紙最重要的過濾性能指標[12]，基材、靜電紡串珠纖維復合濾紙和靜電紡納米纖維復合濾紙的初始過濾阻力和過濾效率測試結果如圖3所示。從圖3可以看出，基材在表面復合靜電紡串珠纖維層和納米纖維層后，初始過濾阻力從44 Pa分別增大至48、49 Pa，復合后的濾紙阻力略微有所上升，且靜電紡串珠纖維復合濾紙和靜電紡納米纖維復合濾紙的阻力很接近，說明制備的材料符合實驗預期，為接下來對比研究復合濾紙的過濾效率和容塵性能提供了基礎條件。

從圖3也可以看出，基材在表面復合靜電紡絲層后，過濾效率從10.1%分別增大至73.1%、38.2%，復合濾紙在阻力略微上升的情況下，靜電紡串珠纖維復合濾紙過濾效率較基材提高了6.24倍，靜電紡納米纖維復合濾紙提高了2.78倍。說明本研究中初始過濾阻力相近的復合濾紙，串珠纖維對復合濾紙過濾效率的提高作用優于納米纖維。從圖1可知，靜電紡串珠纖維復合濾紙是纖維-串珠共存的結構，串珠的存在增大了纖維之間的距離，使纖維的有效表面積增大[7]，顆粒與纖維之間的碰撞幾率變大，進而提高過濾效率；納米纖維由于極高的長徑比和黏彈性，纖維與纖維之間緊密搭接在一起[7,13]，“屏蔽”部分纖維的表面積，減小了顆粒與纖維之間的碰撞幾率，所以靜電紡納米纖維復合濾紙過濾效率低于靜電紡串珠纖維復合濾紙。

圖3 復合濾紙初始過濾阻力和過濾效率測試結果Fig.3 Pressure drop and filtration efficiency ofcomposite filter media

2.3.2 容塵量分析

容塵量反映了濾紙的過濾壽命，是重要的過濾性能指標之一。圖4為加灰過程中復合濾紙過濾阻力與時間的關系圖。圖5為兩種靜電紡纖維復合濾紙達到終止阻力2000 Pa時容塵量測試結果。

從圖4可以看出，在初始阻力接近的情況下，隨著加灰時間的增加，復合濾紙的過濾阻力不斷增加，但靜電紡納米纖維復合濾紙阻力上升比靜電紡串珠纖維復合濾紙快，在4900 s后達到2000 Pa；靜電紡串珠纖維復合濾紙在6400 s后達到2000 Pa。從圖5可以看出，達到相同終止阻力時，靜電紡納米纖維復合濾紙容塵量為96.23 g/m2，靜電紡串珠纖維復合濾紙容塵量為119.29 g/m2，是靜電紡納米纖維復合濾紙的1.24倍。

圖4 加灰過程中過濾阻力與時間的關系Fig.4 Relationship between pressure drop and time in loading process

圖5 復合濾紙容塵量測試結果Fig.5 Dust holding capacity of composite filter media

為了分析二者過濾阻力變化情況和容塵量的差異，本研究采用仿真模擬軟件GeoDict（Math2Mar?ket，德國）建立了模型，模擬靜電紡串珠纖維層和納米纖維層的過濾過程。利用GeoDict的建模模塊GadGeo生成靜電紡串珠纖維層和納米纖維層模型，在性能模擬模塊FilterDict進行過濾過程模擬，當灰塵顆粒在纖維層表面形成一層濾餅時，停止模擬計算。分別選取過濾過程中的4個不同時間點下顆粒在纖維層中的沉積位置圖，繪制靜電紡串珠纖維層和納米纖維層的過濾過程示意圖，如圖6所示。由圖6（a）可以看出，靜電紡串珠纖維復合濾紙表面復合的是蓬松的串珠纖維層，在加灰初期顆粒能夠進入靜電紡絲層內部被捕獲，即復合濾紙對顆粒主要進行深層過濾，且捕獲的顆粒不會短時間內堵塞纖維間的孔隙，過濾阻力增加較為緩慢[14-15]；隨著加灰的進行，濾紙內部的顆粒逐漸累積，纖維間隙逐漸被堵塞，在這個過程中深層過濾和表面過濾共同作用；在加灰后期，隨著捕獲的顆粒越來越多，顆粒在表面形成濾餅，主要是表面過濾起作用，過濾阻力增加變快[15-16]。從圖6（a）的靜電紡串珠纖維層局部放大圖可知，加灰一段時間后，顆粒最終沉積在纖維層的內部和表面。靜電紡串珠纖維層對灰塵顆粒的深層過濾-表面過濾作用，使過濾阻力總體上升較為緩慢。而靜電紡納米纖維層是較致密的結構，加灰過程中，大部分的顆粒被表層捕獲，未進入濾紙內部，即整個過濾過程主要進行表面過濾（如圖6（b）所示）。隨著加灰的進行，顆粒逐漸在表面形成濾餅。從圖6（b）靜電紡納米纖維層的局部放大圖可以看到，加灰一段時間后，灰塵顆粒主要沉積在纖維層的表面。靜電紡納米纖維層對灰塵顆粒的表面過濾作用使阻力總體上升較快。