可降解聚乳酸熔噴超細纖維空氣濾材的制備

常敬穎 李素英 張旭 仇何 黃婷婷 張瑜

摘要：本文研究了一種聚乳酸熔噴超細纖維空氣過濾材料的制備方法，旨在提供一種具有良好防霾、防毒功能且過濾性好、濾阻較低的空氣過濾材料。該材料采用聚乳酸切片為原料，經熔噴工藝直接成網制成。超細纖維的平均直徑主要分布在1 ～ 5 μm之間，纖網克重在50 ～ 80 g/m2之間。經測試，材料透氣性能優異，對粒徑在1 ～ 1.5 μm粒子的捕集效率達90%以上，對大于1.5 μm粒子的捕集效率可達100%，對于PM 2.5的過濾效率接近100%。

關鍵詞：可降解；聚乳酸；熔噴；過濾材料

中圖分類號：TS176 文獻標志碼：A

The Preparation of Degradable PLA Superfine Fiber Meltblown Air Filter Material

Abstract： The paper introduced a preparation method for a melt-blown air filter material based on environmentally degradable polylactic acid （PLA） superfine fiber. It aimed at providing a good air filter materials with good anti-haze and gas-defense properties as well as high filtration efficiency and low filter resistance. The filter material uses polylactic acid chips as raw material， and is made with the advanced meltblown process. The average diameter of the superfine fiber is 1～5 μm and the web density is 50～80 g/m2. Experimental results show that the material has excellent permeability， it can capture more than 90% of the particle between 1～1.5 micron and 100% of the particles larger than 1.5 micron， and the PM 2.5 filtration efficiency can reach 100%.

Key words： degradable； PLA； meltblown； filter material

近年來，非織造熔噴技術飛速發展。聚乳酸（PLA）是一種生物基纖維，可生物降解，經過改性處理的PLA切片可以通過直接成網制備成環保可降解非織造材料。本文以PLA切片為原料，經過24 h烘干后，采用熔噴法直接成網技術制備PLA超細纖維材料。

1 試樣制備

1.1 試驗原料與器材

1.1.1 試驗原料

PLA樹脂切片（美國Natureworks公司），密度為1.24 g/cm3，熔體流動速率為70 ～ 85 g/10 min，玻璃化溫度為55 ～ 60 ℃，結晶峰溫為160 ～ 170 ℃。

1.1.2 試驗設備

ROC-MB300熔噴試驗設備（南通大學紡織服裝學院與南通麗洋新材料開發有限公司聯合研制）。

1.2 制備工藝

PLA超細纖維材料的制備流程為：真空干燥→切片喂入→熔融擠出→過濾→計量→噴絲孔紡絲→熱氣流牽伸→負壓收集→粘合→PLA超細纖維材料。

試驗開始前，需將PLA切片放在真空干燥機中，在70℃下烘24 h，以去除PLA切片中的水分。為使材料具有超細纖維結構，紡絲時計量泵和擠出時動力應適當調低，而牽伸的熱空氣溫度和壓力要適當調高。網簾等部件的參數設定隨產品克重而定，其余設備的溫度參數如表 1 所示，其中空氣壓力為0.12 MPa。

2 性能測試與分析

2.1 測試儀器（表 2）

2.2 SEM測試與分析

將制得的PLA超細纖維材料鍍金后，再在SEM掃描電鏡下觀測，結果如圖 1 所示。

經SEM觀測可知，PLA超細纖維材料為三維立體網狀緊密排列結構。由于纖維雜亂排列，故材料的各向同性效應良好。材料中纖維的直徑分布在 1 ～ 15 μm之間，其中1 ～ 5 μm的分布最為廣泛，因此材料具有超細纖維結構的阻隔、過濾性能優異。

2.3 接觸角測試與分析

PLA熔噴超細纖維的接觸角平均為118°，由此可知PLA熔噴非織造材料的親水性較差。這是因為PLA分子鏈有較多的甲基和酯基，但沒有親水的極性基團，因此材料表現出疏水性。

2.4 透氣性測試與分析

非織造材料的透氣性對產品的均勻性及產品的最終性能有一定的影響，并且對透氣性的要求也因材料的用途不同而不同。如圖 2 所示，PLA熔噴材料的平均透氣量在2 000 L/（m2·s）左右，透氣性能優異。這是因為熔噴非織造材料的纖維直徑小，比表面積大，材料的透氣性能佳。

2.5 過濾性能測試與分析

熔噴非織造材料中的纖維呈無規則分布，載體相在流過熔噴材料時，纖維曲徑式系統可加強其分散效果，導致欲分離的粒子懸浮相能得到更多的機會與纖維碰撞和吸附，從而加強材料的過濾效果。

采用計數法測試材料的過濾效率，將DEHS氣溶膠通過氣溶膠發生器霧化，用高速空氣流將氣溶膠噴入過濾器檢測系統的上游，氣溶膠在氣流作用下通過被測濾料到達檢測系統的下游，再用光學粒子計數器對上、下游的氣溶膠分別取樣，通過上、下游氣溶膠濃度之比計算出濾料的過濾效率。由圖 3 可知，PLA超細纖維熔噴材料對直徑在 1 ～1.5 μm之間粒子的捕集效率達90%以上，對大于1.5 μm粒子的捕集效率近100%，對于PM 2.5的過濾效率接近100%。這是因為PLA超細纖維熔噴材料在制備過程中對空氣溫度、空氣速度及接收距離的控制良好，使纖維直徑小，形成的微孔尺寸小，過濾精度高。

3 結語

（1）材料中纖維的主體直徑為 1 ～ 5 μm，因此材料的阻隔、過濾性能優異；（2）材料對粒徑在 1 ～ 1.5 μm之間粒子的捕集效率達90%以上，對大于1.5 μm粒子的捕集效率近100%，對于PM 2.5的過濾效率接近100%；（3）隨著我國環境保護力度的加大，氣體過濾材料已經成為過濾市場中增長最快的部分，PLA超細纖維由于可降解特性，具有廣闊的應用前景。

參考文獻（略）