靜電紡PVB納米纖維在防霧霾口罩中應(yīng)用研究

羅瑞雪

摘 要：隨著工業(yè)化進(jìn)程加快，我國(guó)很多地區(qū)都出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的霧霾現(xiàn)象，防霧霾口罩性能的好壞影響著人們的健康。聚乙烯醇縮丁醛（PVB）具有優(yōu)良的柔軟性和繞曲性，且無毒無害，靜電紡絲法制成的納米纖維在濃度為7wt%時(shí)，具有優(yōu)良的透氣性，對(duì)0.3微米氯化鈉氣溶膠過濾效率可達(dá)97%，透氣阻力僅為100帕，是優(yōu)良的過濾材料。聚乙烯醇縮丁醛（PVB）濃度為7wt%的納米纖維市場(chǎng)價(jià)格約為20元每平方米，有很大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。在未來幾年，納米纖維必將大規(guī)模應(yīng)用于防霧霾口罩的制作。

關(guān)鍵詞：防霧霾口罩；靜電紡絲；納米纖維；聚乙烯醇縮丁醛

1 概述

近年來城鎮(zhèn)化速度加快，工業(yè)快速發(fā)展，全國(guó)多地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的霧霾現(xiàn)象，霧霾對(duì)人體健康產(chǎn)生很大影響，人長(zhǎng)時(shí)間處于霧天中，可引起氣管炎、喉炎、肺炎、鼻炎、眼結(jié)膜炎及過敏性疾病的發(fā)生，抵抗力較差的糖尿病患者極有可能出現(xiàn)肺部及氣管感染而加重病情。防霧霾口罩減輕了霧霾對(duì)人體的傷害，可以說防霧霾口罩的質(zhì)量影響著人們的健康[1]。

目前市場(chǎng)上售賣的活性炭型、復(fù)合型和納米型三種類型的防霧霾口罩，分別存在不同的問題。廣泛使用的活性炭防霧霾口罩，利用活性炭發(fā)達(dá)的微孔結(jié)構(gòu)對(duì)空氣中的有毒顆粒和氣體進(jìn)行吸附，存在重復(fù)利用性差，透氣性不佳的缺點(diǎn)；復(fù)合口罩的過濾材料是由兩到三層密度不同的化學(xué)粘合無紡布和針刺無紡布共同組成，這種口罩的主要缺點(diǎn)是不環(huán)保且過濾性能差[2]；市面上售賣的納米纖維口罩也存在密閉性不佳和纖維不均等問題。

2 靜電紡絲法的介紹

近年高速發(fā)展的納米纖維材料具有透氣性佳、柔韌性高、過濾效果好等優(yōu)點(diǎn)，適合用于口罩的制作。靜電紡絲法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝可控、適用范圍廣、成本低等多種優(yōu)點(diǎn)，與其他幾種制備納米纖維的方法相比更適合工業(yè)生產(chǎn)[3]。靜電紡絲裝置如圖1。

但需要我們關(guān)注的是靜電紡絲納米纖維材料也存在許多問題，比如材料的機(jī)械強(qiáng)度低、使用壽命短、紡絲過程中仍需要進(jìn)一步提高穩(wěn)定性。但相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲納米纖維材料將有更廣闊的應(yīng)用前景。

3 納米纖維的制作

3.1 技術(shù)指標(biāo)

使用ET-2535H型靜電紡絲裝置制備納米纖維膜。先稱取一定質(zhì)量的聚乙烯醇縮丁醛（PVB）粉末，然后緩緩加入無水乙醇配制成7%的紡絲液，并密封好；然后放在磁力攪拌器上充分?jǐn)嚢瑁狗勰┩耆芙猓阒频盟鑀VB紡絲液。將溶液裝入具不銹鋼針頭（20號(hào)）的注射器中，調(diào)節(jié)溶液推進(jìn)速度為0.10mm/min，用導(dǎo)線將噴針與正高壓電源相連，接收滾筒與負(fù)高壓相連。調(diào)節(jié)正電壓為7KV，負(fù)高壓1KV，噴射距離10cm。液滴在靜電力作用下在噴針形成Taylor錐形成射流和纖維。紡絲一段時(shí)間制得聚乙烯醇縮丁醛纖維膜。

超過100個(gè)不同的聚合物可以通過靜電紡絲的方法制備成納米纖維，不同聚合物其溶劑、可紡濃度、電壓等都不同。考慮到聚乙烯醇縮丁醛（PVB）具有優(yōu)良的柔軟性和撓曲性，在常溫下性能穩(wěn)定，適用于口罩過濾材料的制作。

3.2 靜電紡絲優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有空氣過濾材料相比，靜電紡織納米纖維[4]主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）具有均勻的纖維直徑分布，纖維直徑分布不均會(huì)影響過濾效率，因而高效穩(wěn)定的制備均勻分布的納米纖維尤為重要。

掃描電鏡觀察聚乙烯醇縮丁醛納米纖維形貌（如圖2），纖維表面光滑，直徑細(xì)且形態(tài)分布均勻。

（2）具有三維立體空間結(jié)構(gòu)，纖膜孔徑小，孔隙率高，因而透氣性較好。

靜電紡絲以其設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝可控、適合范圍廣、成本低等多方面特點(diǎn)，成為制備聚合物納米纖維的首選方法。

3.3 PVB納米纖維過濾性能

實(shí)驗(yàn)測(cè)出噴有7wt%納米纖維的無紡布的過濾效率和透氣阻力。在空氣流速為85L/min流速下，以0.3微米氯化鈉氣溶膠為例，過濾效率為97%，透氣阻力為100Pa。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2626-2006，口罩呼吸阻力不得大于350Pa，現(xiàn)有市場(chǎng)上口罩能達(dá)到N95、KN95標(biāo)準(zhǔn)的呼吸阻力基本大于200Pa呼吸阻力越低，呼吸越順暢，佩戴越舒服。噴有PVB納米纖維的無紡布作為口罩的核心過濾材料，擁有良好的透氣性，過濾效果優(yōu)良。

4 納米纖維市場(chǎng)及應(yīng)用前景

使用納米纖維作為過濾材料的口罩，具有較低的孔徑，極高的孔隙率等特點(diǎn)，因此在透氣性能方面明顯高于利用活性炭吸附過濾的防霧霾口罩，使用效果更好。同時(shí)，與其他生產(chǎn)納米纖維的方法相比，成本低，纖維較均勻，因此，將在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)上處于優(yōu)勢(shì)地位。靜電紡納米纖維法可以用于工業(yè)生產(chǎn)，生產(chǎn)出的纖維過濾性更好，適于制作口罩過濾材料。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)目前市場(chǎng)上售賣的幾種防霧霾口罩出現(xiàn)的透氣性差、過濾性不佳等缺點(diǎn)，提出將靜電紡絲法制備的納米纖維作為口罩的核心過濾材料。以濃度為7wt%的PVB納米纖維為例，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其過濾性能優(yōu)良，且在100攝氏度內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性，適于口罩的過濾材料的制作。靜電紡絲法制備的納米纖維較為均勻，價(jià)格低廉，在防霧霾口罩中有很大的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]Peter Tsai.口罩認(rèn)知與SARS防護(hù)[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2003，6：25-26.

[2]簡(jiǎn)小平.非織造布空氣過濾材料過濾性能的研究[D].東華大學(xué)，2013.

[3]李雄.靜電紡/駐極噴復(fù)合非織造材料工藝性能研究[D].東華大學(xué)，2011，7.

[4]劉學(xué)洋.PVDF/PSU復(fù)合抗菌納米纖維空氣過濾材料的制備及其在

口罩中的應(yīng)用研究[D].東華大學(xué)，2016.