PAN/PU/PP 復(fù)合濾材的制備及性能分析

李金超 梅 碩 馬 骉 杜雨佳

（1.河南工程學(xué)院，河南鄭州，451191；2.中原工學(xué)院，河南鄭州，450007）

近年來，微細(xì)顆粒物（PM2.5）造成的霧霾對人體的損害受到人們廣泛關(guān)注，由于大量聚集的懸浮顆粒攜帶大量的重金屬、氮氧化物和細(xì)菌等有害物質(zhì)，對人體的健康具有重大威脅［1-2］。而傳統(tǒng)的熔噴非織造布對亞微米和納米尺度的微細(xì)顆粒物過濾能力較差。因此，高效低阻空氣過濾材料成為研究熱點［3］。

靜電紡絲納米纖維膜具有纖維直徑小、纖維間孔隙小等優(yōu)點，在空氣過濾領(lǐng)域受到持續(xù)關(guān)注［4-5］，但也存在生產(chǎn)速度慢等問題，制約其進(jìn)一步的發(fā)展。因此有研究通過將靜電紡絲技術(shù)與熔噴技術(shù)結(jié)合，制備微納米結(jié)構(gòu)過濾材料［6-7］，以實現(xiàn)更快更優(yōu)的過濾性能。為進(jìn)一步探索最優(yōu)紡絲原料，部分研究將不同原料進(jìn)行共混紡絲，期望制得力學(xué)性能和過濾性能更優(yōu)的納米纖維膜［8-10］。

為充分利用熔噴非織造布生產(chǎn)速度快和靜電紡納米纖維膜孔徑小的優(yōu)點，本研究以熔噴聚丙烯（PP）非織造布為接收基布，采用靜電紡絲技術(shù)制備聚丙烯腈（PAN）和聚氨酯（PU）的混合溶液，再采用靜電紡絲技術(shù)制備PAN/PU/PP 復(fù)合濾材。其中，PU 可改善納米纖維膜強(qiáng)力低、耐磨性差等缺點［11］；微米級熔噴PP 非織造布起支撐作用的同時，可阻隔相對較大顆粒物，而孔徑更小的納米纖維膜主要過濾超細(xì)顆粒物。對比分析了制備的復(fù)合濾材與常規(guī)熔噴PP 非織造布各項性能。

1 試驗部分

1.1 材料

聚丙烯腈粉末（PAN，相對分子質(zhì)量6×105），聚氨酯（PU，大邱泡沫塑料有限公司）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF，天津凱通化學(xué)試劑有限公司）；熔噴PP 非織造布（過濾效率88.5%，阻力壓降18.63 Pa，鄭州豫力新材料科技有限公司）。

1.2 PAN/PU/PP 復(fù)合濾材的制備

以DMF 為溶劑，配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)且不同PAN/PU 配比的紡絲液，室溫條件下磁力攪拌8 h，然后靜置脫泡。

將配制好的紡絲液導(dǎo)入針管，固定在推進(jìn)泵上，紡絲噴頭采用0.67 mm 的針頭，設(shè)置擠出速率1 mL/h，接收輥平整卷繞一層熔噴PP 非織造布，設(shè)置轉(zhuǎn)速120 r/min，紡絲達(dá)到給定時間后，即得PAN/PU/PP 復(fù)合濾材。

1.3 表征與測試

掃描電鏡形貌表征（SEM）：將試樣裁剪為平整的小塊，用導(dǎo)電膠粘貼在試樣臺上，再對試樣鍍膜；使用Sigma 500 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察納米纖維膜形態(tài)，并測量纖維直徑。

表面水接觸角測試：在纖維膜上任取平整位置，緩慢滴下一滴水，使用JC2000E 型接觸角測量儀抓拍水滴落在納米纖維膜上的形態(tài)，利用軟件進(jìn)行多次測試，計算平均值得到水接觸角。

過濾性能測試：使用TSI8130 型自動濾材測試儀測試試樣在空氣流速32 L/min 時的過濾效率與阻力壓降。計算不同試樣的品質(zhì)因數(shù)QF=-ln （1-η）/ΔP［12］，其中：η為過濾效率（%），ΔP為阻力壓降（Pa）。可以看出，當(dāng)具有較高的過濾效率和較低的阻力壓降時，QF值越大，濾材綜合性能越好。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲工藝參數(shù)優(yōu)選

圖1 為復(fù)合濾材的微觀形貌，其中熔噴PP 非織造布作為接收基布位于底部，其纖維細(xì)度約為靜電紡絲納米纖維的10 倍左右，熔噴纖維形成的孔徑較大，主要起支撐作用；直徑較小的納米纖維形成的孔徑更小，對微細(xì)顆粒物的過濾阻隔效果更加優(yōu)異。

圖1 PAN/PU/PP 復(fù)合濾材微觀結(jié)構(gòu)

為探索最佳紡絲工藝，本研究以紡絲液PAN/PU 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PAN/PU 配比、接收距離、電壓為主要影響因素，設(shè)計四因素三水平正交試驗，具體水平設(shè)置如表1 所示。

表1 正交設(shè)計因素水平表

根據(jù)正交試驗設(shè)計，需進(jìn)行9 組紡絲試驗。通過TSI8130 型自動濾料測試儀分別測試9 組試樣的過濾效率及阻力壓降，并計算得到的纖維濾材品質(zhì)因子QF；以品質(zhì)因子作為評價標(biāo)準(zhǔn)，得出最佳紡絲工藝參數(shù)：PAN/PU 質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，PAN/PU 配比7∶3，接收距離18 cm，電壓20 kV。

2.2 紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對纖維直徑及形貌的影響

PAN/PU 的性質(zhì)對納米纖維膜的結(jié)構(gòu)及性能影響顯著，其中，PAN/PU 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米纖維直徑及均勻度影響顯著。圖2 為PAN/PU 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、12%、14%的PAN/PU 納米纖維膜的SEM 圖像。由圖2 可知，在其他條件相同時，隨著紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維直徑逐漸增加（平均直徑分別為190 nm、263 nm 和265 nm）；這主要是由于紡絲液的黏稠度增大，減弱了靜電場的拉伸作用，所得纖維直徑增加。

另外，隨機(jī)取向的纖維形成的空隙也隨著PAN/PU 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時纖維膜最為致密，空隙最小，與正交試驗得出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時過濾效率最優(yōu)一致。

2.3 紡絲時間對復(fù)合濾材過濾性能的影響

按照前文優(yōu)選的工藝參數(shù)組合配制紡絲液并進(jìn)行靜電紡絲，探討紡絲時間對復(fù)合濾材過濾性能的影響。圖3 為氣流速度32 L/min 時，過濾效率和阻力壓降隨紡絲時間的變化情況。

圖3 復(fù)合濾材過濾效率及阻力壓降隨靜電紡絲時間的變化趨勢

由圖3 可知，紡絲時間10 min 時，復(fù)合濾材的過濾效率已經(jīng)達(dá)到97.7%，與熔噴PP 非織造布（過濾效率88.5%）相比已顯著提高。整體來看，過濾效率和阻力壓降均隨紡絲時間的增加而增大；紡絲時間越長，納米纖維膜越厚，纖維堆積越致密。因此，孔徑越小，過濾效率越高，而阻力壓降也會隨之增高。過濾效率隨紡絲時間先快速增加，后增加逐漸緩慢；而阻力壓降在紡絲時間20 min～30 min 時出現(xiàn)增加緩慢的情況。為綜合考慮過濾性能，計算得到不同紡絲時間下復(fù)合濾材的品質(zhì)因子：紡絲時間30 min 時復(fù)合濾材品質(zhì)因子最優(yōu)，此時復(fù)合濾材的過濾效率（99.2%）及阻力壓降（51.9 Pa）均性能優(yōu)異。

2.4 使用時間對復(fù)合濾材過濾性能的影響

常規(guī)熔噴駐極過濾材料受使用環(huán)境溫濕度等影響，在一段時間后，存在電荷易耗散導(dǎo)致過濾效率下降的缺陷。為探究使用時間對濾材過濾性能的影響，將氣溶膠中的NaCl 顆粒持續(xù)經(jīng)過試樣1 min，然后測量試樣的過濾性能，測試10 次共10 min，并分析使用時間對熔噴PP 非織造布及復(fù)合濾材過濾性能的影響，如圖4 所示。

圖4 濾材過濾效率隨使用時間變化對比

由圖4 可知，一方面，復(fù)合濾材整體過濾效率明顯優(yōu)于常用的熔噴PP 非織造布；另外，熔噴PP非織造布的過濾效率隨使用時間的增加而逐漸下降，而復(fù)合濾材的過濾效率能夠穩(wěn)定在較高水平且逐漸升高，這對于一些要求等級較高的場合如病毒防護(hù)時具有顯著優(yōu)勢。造成這一差異的原因主要是復(fù)合濾材的過濾機(jī)理與熔噴PP 非織造布不同。熔噴PP 非織造布一般都經(jīng)過駐極處理，其過濾機(jī)理除依靠空隙進(jìn)行過濾外，還借助駐極處理后纖維表面的靜電吸附微細(xì)顆粒物。而隨著使用時間的增加，吸入的顆粒物會吸附于熔噴纖維表面，由于纖維表面靜電比較微弱，纖維表面聚集的顆粒物會逐漸降低纖維本身對后續(xù)顆粒物的吸附能力，從而導(dǎo)致其過濾效率逐漸下降；而復(fù)合濾材主要靠納米纖維形成的細(xì)小空隙對微細(xì)顆粒物進(jìn)行機(jī)械過濾，因此不存在靜電衰減問題，而隨著顆粒物在納米纖維膜空隙處逐漸堆積，孔徑越來越小，因此過濾效率越來越高。與此同時，隨著使用時間的增加，與其他空氣過濾材料相同，阻力壓降必然會因為顆粒物的逐漸吸附、堆積而逐漸增加。因此在使用過程中，在關(guān)注過濾效率的同時，阻力壓降也需滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)阻力壓降超過一定值時，需更換濾材。

2.5 表面水接觸角測試

當(dāng)過濾材料用于口罩等與人體接觸的場合時，濾材需要具有一定吸濕透濕能力，將人體呼出的熱濕空氣順利傳導(dǎo)出去，從而保持干爽舒適性［13］。材料的水接觸角越小，表明其親水性越好。為探究PAN/PU 配比對復(fù)合濾材親水性的影響，采用接觸角測試儀分別對配比為3∶7、5∶5、7∶3 的復(fù)合濾材（質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%）進(jìn)行測試。復(fù)合濾材的水接觸角隨PAN 含量的增加而減小，分別為116.3°、99.2°、85.5°，濾材由疏水性向親水性（接觸角小于90°）轉(zhuǎn)變。這是由于與PU 相比，PAN中強(qiáng)極性的氰基與水分子有良好的結(jié)合能力［14］。

3 結(jié)論

本研究采用靜電紡絲技術(shù)制備了PAN/PU/PP 復(fù)合濾材，通過正交試驗確定最優(yōu)紡絲參數(shù)，并對試樣的形貌特征、過濾性能、表面水接觸角進(jìn)行表征與測試，主要得到以下結(jié)論。

（1）微觀形貌觀測顯示，靜電紡絲納米纖維形成的纖維孔徑遠(yuǎn)小于熔噴非織造布的孔徑，從而使復(fù)合濾材的過濾效率大大提高。

（2）靜電紡絲納米纖維膜在較短的紡絲時間內(nèi)，即可明顯提升熔噴非織造布的過濾效率；紡絲時間30 min 時，制備的復(fù)合濾材的綜合過濾性能較優(yōu)。

（3）通過對熔噴PP 非織造布和復(fù)合濾材的過濾性能隨使用時間的變化情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：熔噴PP 非織造布隨使用時間即濾材中容塵量的增多，存在非常明顯的過濾效率下降的缺陷，這主要與熔噴纖維吸附顆粒物后存在靜電衰減有關(guān)；而復(fù)合濾材的過濾效率隨使用時間能保持較高水平，體現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢。

（4）PAN/PU 的配比在一定程度上會影響復(fù)合濾材的親疏水性能。隨著PAN 含量的增加，濾材由疏水性逐漸向親水性轉(zhuǎn)變，可在一定程度上改善其吸濕、透濕性能。