聚乳酸復(fù)合空氣過(guò)濾材料的制備及性能研究

朱 蕾，王銀利，楊瑞華，王鴻博

(江南大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122)

工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中不可避免會(huì)產(chǎn)生有害有毒的氣體和粉塵微粒，研究高性能、低成本、環(huán)保的過(guò)濾材料，可有效改進(jìn)有害氣體排放。

聚乳酸纖維因具有優(yōu)良的吸濕透氣性、抑菌性、可降解性等性能，而引起人們的廣泛關(guān)注。張幼珠等[1-4]研究了納米級(jí)PLA材料的空氣過(guò)濾性能,探討了無(wú)紡布過(guò)濾材料的過(guò)濾性能及其評(píng)價(jià)機(jī)制，認(rèn)為面料的制備工藝和過(guò)濾條件對(duì)材料過(guò)濾性能起到一定的影響。Gowariker、許鐘麟 等[5-8]建立了簡(jiǎn)單的多孔過(guò)濾材料的過(guò)濾模型，并對(duì)兩種不同狀態(tài)的氣體過(guò)濾進(jìn)行了模擬。以上研究者對(duì)聚乳酸靜電紡材料和空氣過(guò)濾材料作了一定的研究，但將聚乳酸靜電紡納米材料和無(wú)紡布面料的復(fù)合并沒(méi)有做深入的研究，尤其將聚乳酸與無(wú)紡布過(guò)濾材料復(fù)合并用于口罩過(guò)濾材料的研究，在應(yīng)用上未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文將普通的無(wú)紡布過(guò)濾材料與靜電紡絲納米纖維進(jìn)行復(fù)合，并研究其空氣過(guò)濾性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

分子質(zhì)量7萬(wàn)的聚乳酸顆粒、二氯甲烷、三氯甲烷、二甲基甲酰胺( DMF)、水刺無(wú)紡布、熔噴無(wú)紡布。 自制靜電紡絲裝置。掃描電鏡觀察纖維形貌(S-570型，日本HITACHI公司)。采用自動(dòng)濾料檢測(cè)儀(TSI8130，美國(guó))，測(cè)試濾速為5.3 cm/s、測(cè)試顆粒為KCl等測(cè)試復(fù)合材料的空氣過(guò)濾性能。

1.2 紡絲液制備

以二氯甲烷和三氯甲烷為紡絲溶劑，分子質(zhì)量7萬(wàn)的聚乳酸顆粒(PLA)為紡絲溶質(zhì)。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)取二氯甲烷9 mL，三氯甲烷6 mL，即二氯甲烷與三氯甲烷為3∶2(v∶v)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需紡絲液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，稱取相應(yīng)的聚乳酸顆粒(PLA)1.50 g。將溶液置于磁力攪拌器上，室溫下攪拌5 h，使溶質(zhì)充分溶解，得到均勻的溶液即為第一組紡絲液，使其與水刺PLA無(wú)紡布進(jìn)行復(fù)合。

以二氯甲烷和二甲基甲酰胺( DMF)為紡絲溶劑，分子質(zhì)量7萬(wàn)的聚乳酸顆粒(PLA)為紡絲溶質(zhì)。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要量取二氯甲烷10 mL，二甲基甲酰胺5 mL，即二氯甲烷與二甲基甲酰胺為2∶1(v∶v)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，稱取相應(yīng)的聚乳酸顆粒(PLA)1.20 g，制備相應(yīng)的溶液。將溶液置于磁力攪拌器上，室溫下攪拌5 h，使溶質(zhì)充分溶解，得到均勻的溶液作為第二組紡絲液，使其與熔噴PLA無(wú)紡布進(jìn)行復(fù)合。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將紡絲液倒入紡絲管中，調(diào)整紡絲管高度與接收屏的位置，使噴絲頭與接收屏的中心位于同一水平線上，二者的距離為12 cm；將陽(yáng)極接在針頭(規(guī)格為 12號(hào))上，陰極粘在接收屏上并接地，在接收屏上粘一塊大小合適的鋁箔，并將無(wú)紡布貼于鋁箔，緩慢調(diào)整電壓至16 kV，進(jìn)行靜電紡絲。紡絲液的推進(jìn)速度為0.5 mL/h，紡絲液處于穩(wěn)定的無(wú)液滴自然下垂?fàn)顟B(tài)，在噴絲口形成穩(wěn)定的泰勒(Tylor)錐。紡絲時(shí)間3 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 PLA納米纖維/水刺無(wú)紡布復(fù)合材料

在溫度21 ℃、相對(duì)濕度67%條件下，采用8130自動(dòng)濾料測(cè)試儀測(cè)試所制得的PLA納米纖維/水刺無(wú)紡布復(fù)合材料的空氣過(guò)濾阻力和效率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，其中顆粒粒徑0.3～0.5 μm，測(cè)試顆粒為KCl。

表1 PLA納米纖維/水刺無(wú)紡布復(fù)合材料過(guò)濾效率

一般常規(guī)PLA水刺材料的過(guò)濾效率幾乎為0。根據(jù)表1可以看出，其表面接收靜電紡納米材料后，過(guò)濾效率大幅提高。納米材料厚度為1 mm時(shí)復(fù)合材料過(guò)濾效率可達(dá)到26.12 %，納米材料厚度為2 mm 時(shí)其效率平均提高到45.88 %，但納米材料厚度提高時(shí)其阻力也增大。

2.2 PLA納米纖維/熔噴無(wú)紡布復(fù)合材料

采用TSI8130 測(cè)試儀器，測(cè)試濾速為5.3 cm/s、測(cè)試顆粒是KCl等條件下測(cè)試靜電紡納米纖維與熔噴非織造布復(fù)合后的過(guò)濾效率，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 PLA納米纖維/熔噴無(wú)紡布復(fù)合材料過(guò)濾效率

經(jīng)測(cè)試，熔噴無(wú)紡布的過(guò)濾效率為80.1%, 阻力為9.8Pa。從表2測(cè)試結(jié)果可以看出，熔噴非織造布在表面接收聚乳酸納米膜后，當(dāng)納米材料厚度為1 mm時(shí)熔噴納米復(fù)合材料的過(guò)濾效率可提高23.7%； 納米材料厚度為2 mm時(shí)，熔噴納米復(fù)合材料的過(guò)濾效率可提高24.6%，但在這兩種厚度下納米材料的過(guò)濾阻力都較大。

由以上兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨納米材料厚度的增加，樣品的過(guò)濾效率均有不同程度的提高。圖1和圖2分別為PLA納米纖維放大1 200倍和10 000倍的靜電掃描圖。從圖中可以看出在該納米纖維復(fù)合材料中，納米纖維形成大量的小孔隙，且纖維直徑遠(yuǎn)小于過(guò)濾粒子直徑，過(guò)濾性能得到提高。但隨著納米纖維層厚度增加使試樣中的孔隙數(shù)目快速增多，平均孔隙面積減小，納米纖維復(fù)合材料的過(guò)濾阻力也隨之增加。

從理論上分析，過(guò)濾材料孔隙率越大，則纖維之間的空隙越多，所以透氣性越好，阻力越小；同樣纖維直徑越大，纖維網(wǎng)相對(duì)排列越疏松，透氣量越大，阻力越小。過(guò)濾材料孔隙率越小纖維填充率越大，對(duì)粒子的干涉作用越強(qiáng)，捕集效率也就越高，過(guò)濾效率越好，但其阻力較大。隨著纖維直徑的增大，非織造布的過(guò)濾效率逐漸降低，這是由于纖維粗到一定程度時(shí)，纖維比表面積過(guò)小，纖維對(duì)微粒的吸附阻攔作用減弱，使其過(guò)濾性能變差[9]。因此需要合理控制過(guò)濾材料的孔隙率，以達(dá)到過(guò)濾效果和阻力最佳效果。

圖1 納米纖維表面形態(tài)(放大1 200倍)

圖2 納米纖維表面形態(tài)(放大10 000倍)

3 結(jié) 論

將靜電紡PLA納米纖維分別直接紡制在水刺非織造布和熔噴非織造布上，制成PLA納米/非織造布復(fù)合材料，并測(cè)試其對(duì)粒徑為0.3～0.5 μm的KCl顆粒的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)納米材料厚度為2 mm時(shí)，與納米材料復(fù)合后的水刺非織造布復(fù)合材料的過(guò)濾效率從近乎0提高到45.88%； 當(dāng)納米材料厚度為1 mm左右時(shí)，提高到26.12%。與厚度為2 mm和1 mm的納米材料復(fù)合時(shí)，熔噴非織造布納米復(fù)合材料的過(guò)濾效率分別提高了24.6%和23.7%。

[1] 張幼珠，吳桂林.靜電紡絲PLA絲素復(fù)合纖維膜的結(jié)構(gòu)與性能 [J].合成纖維工業(yè)，2008，31(3)：1-4.

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[3] 劉洋，徐安長(zhǎng)，陳倩，潘志娟.靜電紡絲工藝對(duì)PA6/MWNTs納米纖維紗結(jié)構(gòu)與性能的影響 [J].紡織學(xué)報(bào), 2010, 31(3)：1-6.

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[9] 馬馳，吳玥，俞建勇.PBS靜電紡非織造布結(jié)構(gòu)與過(guò)濾性能的關(guān)系分析[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008(5)：13-15.