電場分布對靜電紡聚苯乙烯超細纖維性能影響

肖云瑩 李雪芹 高鏡苑 陸依健 鄭元生

（上海工程技術大學，上海，201620）

1 研究背景

近年來，隨著工業化以及城市化進程的不斷加快，導致大氣環境問題日漸緊迫，空氣質量問題嚴重影響人類的健康，特別是在干燥的秋冬季節，大部分城市都會遭受到輕度甚至重度霧霾天氣的影響，空氣中PM2.5指數持續升高，空氣質量指數急劇下降，造成了各地肺癌、支氣管炎、哮喘、心血管病等疾病的發病率提高。為了解決空氣污染對人體造成的健康問題，個人的空氣過濾防護非常有必要，而傳統的空氣過濾材料纖維直徑粗、孔隙大，只能進行初級過濾，難以滿足對微細顆粒物的有效過濾攔截。加上近年來環境污染加劇，物理、生物、化學污染日益嚴重，普通過濾材料不具備隔絕病毒等微小生物的能力，且產品笨重、透氣透濕性能差，逐漸瀕臨淘汰［1-3］。因此，研究并開發具有納米級過濾性能的新型過濾材料是過濾防護的發展方向，是保證人體健康的快速有效途徑之一。

根據1.3.7的方法步驟，處理篩選到的2株乳酸菌、3株芽孢桿菌和2株真菌，得到相應菌株的16S rDNA序列和ITS序列，將各個菌株序列在CNBI基因庫中進行同源性比較，獲得和各菌株序列相似度最高的菌株，即認定該菌株種類，具體結果見表7，發育樹見圖3和圖4。

20世紀90年代靜電紡絲技術發展日益成熟，研究者開始采用靜電紡絲的方法研發納米級的纖維制成空氣過濾效率更加優異的過濾材料。靜電紡納米纖維具有直徑小、孔隙率高、比表面積大等優勢，可以有效攔阻直徑較小的顆粒物，特別適用于開發空氣過濾材料，至今，利用靜電紡絲技術制備超細纖維用于空氣過濾領域仍是研究熱點［4-6］。肖龍輝等紡制了靜電紡聚丙烯腈納米纖維膜，發現紡絲電壓越大，纖維直徑越小，膜的平均孔徑越小，最小可低至2.7 μm，此時過濾效率最佳，高達 98.3%［7］；PATANAIK等制備了中間層為聚環氧乙烷納米纖維，上下層為非織造基布的三層復合纖維過濾材料，發現隨著聚環氧乙烷納米纖維直徑（85 nm～125 nm）增大，過濾效率提高［8］；劉超等以聚丙烯腈為原料，通過靜電紡絲制備聚丙烯腈納米纖維并沉積在聚丙烯針刺非織造材料的表面，制備成靜電紡針刺復合過濾材料，經測試過濾效率可達到95.57%，而呼吸阻力僅為3.8 mm H2O，可用于制備高效低阻空氣過濾材料［9］。

在靜電紡絲過程中，聚合物射流在從紡絲噴嘴到接收板的運動過程中主要受到表面張力、黏彈力、庫倫斥力和電場力的影響，其中電場力為影響射流運動最主要的作用力［10］。電場力對射流運動的影響將會影響到最終形成的纖維直徑均勻度，以及纖維膜的性能［11-15］。因此，靜電紡絲裝置的電場分布對纖維和纖維膜性能具有極其重要的影響作用［16］。YANG對接收板形狀和大小的研究顯示，接收板表面的電場對納米纖維膜的均勻性有一定影響，表面電場均勻的接收裝置收集到的纖維膜厚度更加均勻［17］。在靜電紡絲工藝過程中，電場的分布是由施加了高壓靜電的紡絲噴嘴和接地的接收板形狀決定［18］。由于紡絲過程中紡絲噴嘴上施加有高壓靜電，很難直接測得靜電紡絲裝置的電場強度，因此通過利用有限元法計算紡絲裝置的電場分布是設計電場的有效方法，該方法主要是通過偏微分方程來求近似解，廣泛應用于計算物理和工程偏微分方程問題［19-21］。該計算方法可以將靜電紡絲裝置所用材料的實際尺寸、材料性質代入計算中，通過軟件計算將紡絲裝置中的電場分布可視化。

本文運用Ansoft Maxwell 15.0版本軟件來對靜電紡絲裝置的三維電場進行模擬。通過對不同結構接收裝置的電場分布模擬分析，研究電場對靜電紡絲纖維膜中纖維取向度和過濾性能的影響。本試驗主要以聚苯乙烯為紡絲原材料，N，N-二甲基甲酰胺作為溶劑，利用靜電紡絲方法制備超細纖維，采用不同電場分布的接收裝置收集纖維膜，研究其上纖維的排列取向度對纖維膜空氣過濾性能的影響。

2 試驗材料與方法

2.1 紡絲溶液的制備

稱取 6 g聚苯乙烯［（C8H8）n，相對分子質量170 000，西格瑪奧德里奇（上海）貿易有限公司］置于錐形瓶中，將24 g的N，N-二甲基甲酰胺（C3H7NO，分子量73.09，國藥集團化學試劑有限公司）加入含有聚苯乙烯的錐形瓶中混合，在室溫用強力攪拌機攪拌5 h至完全溶解后靜置3 h，得到均一、透明的溶液備用。

如果要理解這些腫瘤的性別差異的關鍵在于找出性別差異的原因，而且這將有助于優化性別相關的治療，揭示可能的保護性或者有害的性別因子，并提出新的治療策略。盡管一些腫瘤的性別差異源于高度性別化的環境(職業、吸毒等)，這使得男性和女性暴露于不同的疾病風險，但還可以尋找在細胞內關鍵的性別差異，從而降低腫瘤生長的可能性。性激素是主導性別差異的原因，但在這篇文章中，作者更關注細胞內基因組中的性別差異。

2.2 超細纖維膜的制備

采用日本日立公司的SU8010型掃描電子顯微鏡對制備的聚苯乙烯纖維過濾前后的表面形貌進行分析，測試前所有樣品都經表面噴金處理。

圖1 靜電紡絲裝置示意圖

供液系統由一個微量注射泵和帶有金屬針頭的注射器組成，針頭由一個電機帶動可做橫向移動，保證制備的纖維膜厚度的均勻性；高壓靜電系統分別與針頭和接收輥相連，針頭與高壓電源正極相連，接收輥接地；纖維接收系統為不同結構的金屬網；溫濕度控制系統由一個加熱裝置、溫濕度計和一個濕度控制器構成，加熱裝置和濕度控制器分別調控紡絲箱體內的溫度和濕度。將配制的均勻紡絲溶液注入注射器中，將注射器放置于微量注射泵中，噴絲頭到接收裝置之間的距離為20 cm，噴嘴上施加的電壓為25 kV，紡絲溶液推進速度為50 mL/h，針頭運動速度為100 cm/min，在溫度為（22±3）℃，相對濕度為（40±3）%的條件下進行靜電紡絲1 h，制得纖維膜。

為探究具有不同電場分布的接收裝置對靜電紡纖維膜的性能影響，選用了3種不同規格金屬網作為接收裝置：1號接收裝置的網孔為10 mm×10 mm，絲徑為1 mm；2號接收裝置的網孔為30 mm×30 mm，絲徑為2 mm；3號接收裝置的網孔為50 mm×50 mm，絲徑為2 mm，3塊接收網尺寸均為200 mm×200 mm。

2.3 性能測試與表征

不同規格接收裝置所收集的聚苯乙烯超細纖維膜的纖維排列狀態如圖4所示?？梢钥闯霰砻娌糠掷w維取向明顯，這是由于接收網表面的金屬網格上具有較強的電場強度，靜電紡絲纖維在沉積到接收裝置表面時纖維表面帶有一定的電荷，接收裝置表面的電場強度會影響纖維的沉積。不同規格接收裝置收集的纖維膜取向度通過纖維膜的縱橫強力比來間接表征，纖維膜的縱向和橫向的斷裂強力以及兩個方向的強力比值見表1。表1顯示，隨著接收裝置的網格尺寸增加，纖維膜縱向和橫向的斷裂強力都隨之減小。這主要是由于隨著網格尺寸的增加，接收裝置的金屬絲表面的電場增強，纖維的沉積會集中在電場強的金屬絲表面，致使纖維膜的強力下降。在試驗過程中也觀測到，當網孔為50 mm×50 mm時，纖維主要聚集在網格上，在網孔上分布稀疏且取向隨機。隨著網格尺寸的增大，纖維膜的縱橫強力比也隨之增大，這表明網格越大，纖維取向度越高。

圖5展示了香煙煙霧過濾前后的纖維表面形態的掃描電鏡圖。從圖5中可以很清楚地看出，過濾后的纖維表面明顯吸附了香煙煙霧。過濾前聚苯乙烯纖維表面呈排列整齊的多孔結構，而在過濾香煙煙霧后，纖維膜對香煙煙霧的吸收使多孔結構填塞呈現表面粗糙的褶皺結構。這主要是因為纖維表面的多孔結構提供了納米顆粒進入纖維膜的可能性，纖維表面的納米級微孔可捕獲煙霧顆粒，隨著過濾時間的增加，纖維表面的微孔由于持續捕獲纖維顆粒而堵塞，香煙煙霧顆粒持續積累在纖維表面而形成凸起的褶皺。

在本文電場分布計算中，激勵源和邊界條件均一致。激勵源均為紡絲噴嘴處施加15 kV的靜電，接收板處為0 kV；邊界條件選用氣球邊界條件（Balloon Boundary），也稱為無窮遠邊界條件，即無窮遠處電壓為0 kV；采用自適應網格剖分技術自動剖分網格單元。求解參數設置如下：殘差為1×10-7，誤差平均值設為0.005；噴嘴和接收裝置質均為不銹鋼，接收裝置和噴嘴的幾何尺寸與試驗條件完全一致；噴嘴與接收板中央位置的距離為20 cm；計算區域為真空。

2.3.2 纖維取向度

采用纖維膜縱橫強力比的方法對纖維的取向度進行表征，即對聚苯乙烯纖維膜的縱向和橫向拉伸性能進行測試，從而獲得纖維膜縱向與橫向的斷裂強力比，由此計算和分析纖維膜中纖維的取向度（雜亂度）。采用上海旭賽儀器有限公司制造的XS（08）XT-3型強力測試儀對纖維膜的拉伸強力進行測試，從每個樣品上裁剪10 mm×30 mm的試樣進行測試，每個樣品測試5個試樣取平均值。測試時，設置夾距為30 mm，拉伸速度為100 mm/min。

2.3.3 浸潤性能

測試可知，1號、2號、3號接收裝置收集纖維膜的水接觸角分別為136.2°、132.4°（水珠兩側角為 132.3°、132.5°）、130.4°（水 珠 兩 側 角 為130.2°、130.6°），3種纖維膜均表現出較好的拒水性能，但是隨著接收裝置網孔尺寸增加，水接觸角的角度有所減小，且水珠兩側角度差增大。這主要是因為隨著網孔尺寸的增加，接收網金屬絲表面的電場增加，纖維的沉積會集中于金屬絲的表面，纖維的均勻程度會隨之下降。在紡絲時間和工藝條件不變的情況下，接收裝置的網孔越小，纖維膜的均勻度就越好，纖維的取向越雜亂，所以水接觸角較大，且水珠兩側的角度相等。

接觸角的測量采用德國KRUSS有限公司制造的DSA30型光學接觸角測試儀，采用靜態液滴法對纖維膜進行表面疏水性測試。首先從每個樣品上裁剪出10 mm×10 mm的試樣，然后每個試樣取5個不同位置進行測量取平均值。測試過程中，測試所用液滴為蒸餾水，液滴體積為 3 μL。

2.3.4 過濾性能

1）匯報與通報。（1）突發事件發生后志愿者將現場事故情況及時匯報給組織方。需要匯報的內容包括：突發事件的時間、地點、類型、危害程度及初步處理措施。（2）志愿者也可根據突發事件的性質，向景點、景區所屬的公安、消防、衛生防疫、交通管理等部門緊急求援，使事件得以暫時控制，在突發事件的現場盡心盡力地發揮個人價值與集體的力量。

圖2 自組裝過濾裝置

在性能測試時，將纖維膜夾在左右密閉的測試瓶中間，測試瓶與纖維膜接觸的地方為橡膠圈，在保證過濾時的密閉環境同時又能保護纖維膜不受破壞。數字式通用顆粒物濃度傳感器放置在左邊測試瓶，連接的左密閉測試瓶通過軟管與空氣相通，連接的右密閉測試瓶與真空泵相連，通過真空泵的抽吸力將香煙煙霧吸入到纖維膜上，經纖維膜過濾后，用傳感器記錄香煙濃度的變化，由計算機輸出結果［22-23］。主要輸出為單位體積內各濃度顆粒物質量以及個數。對照傳感器附帶的PMS7003傳輸協議，進行12組數據的進制換算，提取有效數據。

試驗所用的靜電紡絲裝置如圖1所示。該裝置包括供液系統、高壓靜電系統、纖維接收系統和溫濕度控制系統。

纖維膜對各種尺寸顆粒的過濾效果及過濾前后纖維膜增重的測試是由自行搭建的過濾設備進行的，測試原理如圖2所示。試驗中，纖維膜的測試面積為10 cm2，香煙燃燒產生的顆粒物粒徑大部分在1 000 nm以下。測試瓶中香煙的濃度可通過調節香煙燃燒的時間進行控制，初始狀態下，將香煙濃度控制在50 μg/m3左右，在密閉測試瓶內，纖維膜被夾持在兩個密閉測試瓶中間并用橡膠圈密封。通過內置的數字式通用PMS7003型顆粒物濃度傳感器（北京攀藤科技有限公司）實時讀取密閉測試瓶中的香煙濃度，并計算4 min后各種尺寸的顆粒物濃度及顆粒物數值的變化情況。濃度傳感器主要采用激光散射原理，即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強隨時間變化的曲線，進而微處理器利用基于米氏理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量。

3 結果與討論

3.1 不同接收裝置的電場分布

3種不同規格接收裝置的電場分布和電場方向如圖3所示。對比3組圖片可以看出，3種不同規格接收裝置的電場分布在噴嘴附近比較相近，在接收裝置表面及上方位置區別較大。隨著接收裝置網孔尺寸的增大，接收網表面的電場強度增加，且網格之間的弱電場區增大，這是由于隨著網孔尺寸的增大，相鄰兩個金屬絲電場強度隨之增強，單個網格的兩根金屬絲間相互排斥作用增強。同時，也可以觀察到接收網兩側最邊緣的金屬絲的電場比中間區域的金屬絲的電場強，主要是由于位于兩側邊緣區域的金屬絲只收到一側金屬絲電場的排斥作用。以上結果也可從電場方向圖中進行驗證，在電場方向圖中，可以清晰看出，隨著接收裝置網格的增大，接收網表面的電場增強，且接收網中相鄰的兩根金屬絲之間的排斥作用也隨著網格的增加而增強。不同規格的接收網表面顯現出的不同電場分布最終會影響靜電紡纖維在其表面的沉積狀態。

圖3 不同接收裝置的電場分布結果

3.2 纖維取向度

2.3.1 電場分布模擬

圖4 不同規格接收裝置所收集的聚苯乙烯纖維膜

表1 不同接收裝置收集纖維膜的縱向和橫向斷裂強力

3.3 纖維膜浸潤性能

采用2(實驗組、對照組)×3(前測、后測、追蹤測試)重復測量實驗設計方法，在實驗干預前對所有被試統一施測IAS、SAQ、主觀幸福感指數3個量表.在干預結束及結束八周后，使用上述量表對所有被試再次進行心理測量，結合實驗組被試自我報告和帶領者的團體觀察記錄對干預效果進行綜合評估.

3.4 纖維膜過濾性能

王鉆清在進行詩歌創作時，可說是深得中國古典詩歌藝術的此中三昧。在其詩集《未來啟示錄》的開篇（《一個強大而智慧的存在》），王鉆清就像當年的屈原發出“天問”一樣，對西方和東方世界的神殿、帝王、神發出了石破天驚地追問：

基于商務部的結論，法院推測了為了解決非市場經濟國家進行商品補貼的問題商務部在未來可能采取的行動。其中一點是通過采取“非市場經濟方法”來征收反傾銷稅，在這一基礎上征收反補貼稅，同時，對反傾銷稅采取“細微的調整”來抵消對同一企業進行雙重征稅的問題。法院注意到了商務部將要實施的措施可能會引起更多的問題與糾紛，正如其所說“這種措施是否會造成與法規的直接沖突”或者“這種措施從根本上是否為不公平的，因而造成對法規不公正的解釋或者濫用”[2](P1290)。然而，法院并沒有對這一話題進行更加深入的探討或者分析，原因是這一問題與原告所受到的損失無關。

圖5 聚苯乙烯纖維過濾前后表面形態電鏡圖

測試可知，1號、2號和3號接收裝置收集的聚苯乙烯纖維膜煙霧吸收量分別是1.1 mg、0.5 mg、0.4 mg，接收裝置網孔尺寸最小時所形成纖維膜的煙霧吸收量最大，過濾效果最佳。主要是由于1號接收裝置所收集的纖維膜中纖維雜亂度較高，且纖維的均勻度好。隨著接收裝置網孔尺寸增加，纖維膜中纖維的取向度增加，纖維膜的透氣性隨之增加，對香煙煙霧氣體的攔截能力下降，因此，纖維膜對煙霧顆粒的吸收能力下降。

五等爵制是在奴隸制度背景下建立的嚴苛等級體制的話，那么軍功授爵制度則適應了春秋戰國時期新興經濟、政治、生產力、生產關系變化的需要，而建立的相對優越的封建等級制度。

圖6為3種不同規格的接收裝置對不同尺寸顆粒物的過濾效率。從圖6中可以看出，隨著網孔尺寸的增加，對不同尺寸的顆粒物的過濾效果均有所下降，這與煙霧吸收量的測試結果一致。對于同一規格的接收裝置來說，被過濾的顆粒物尺寸越大，過濾效果越好，1號接收裝置收集到的纖維膜對2.5 μm、5 μm和10 μm的顆粒過濾效率在90%以上。當顆粒物的尺寸較小時，纖維表面的微孔可以吸收一定量的顆粒物，當吸收量達到飽和時，過濾效果不會再增加，因此對較小尺寸顆粒物的過濾效果較差。當顆粒物尺寸較大時，纖維膜中的纖維與纖維間形成的多層多孔結構可以對顆粒物起到一定的攔截作用，因此顆粒物大時過濾效果好。另外，還可以從圖6中觀察到，顆粒物尺寸為0.3 μm和0.5 μm時，3號接收裝置的過濾效果下降明顯，這是由于3號接收裝置所接收的纖維膜中纖維的取向度較高，雜亂度低，纖維沿同一方向排列較多，煙霧較容易通過纖維膜，對小尺寸的顆粒物的吸收和攔截效果均較差。

我國航空材料標準化歷經50多年的發展，特別是通過“十五”和“十一五”的努力，始終堅持積極采用、理性參考國際先進標準，充分結合我國國內生產實際，以及科研、生產、使用相結合的原則，使標準在保持一定先進性的同時，具有較強的可操作性和實用價值，目前我國已經建立了基本完整的航空材料標準體系。[11]這些構成標準體系的數據、標準、材料等在我國軍用航空材料的設計、研發、制造、生產及采購方面發揮了極其重要的作用。

圖6 聚苯乙烯纖維膜對不同尺寸顆粒物過濾效率

4 結論

本試驗以聚苯乙烯為原料，利用靜電紡絲方法制備超細纖維膜，探究了具有不同電場分布的接收裝置對靜電紡聚苯乙烯纖維取向度、纖維膜過濾性能的影響。通過本試驗的研究得到如下結論。

（1）在靜電紡絲中，不同網格尺寸的金屬網作為接收裝置時，金屬網表面的電場分布不同。網格尺寸越大，金屬網表面的電場越大，相鄰兩根金屬絲之間的排斥作用越明顯。

（2）不同網格尺寸的接收裝置對纖維膜中的纖維排列影響較大。網格尺寸越大，纖維的取向度越大，纖維膜均勻性越差；不同規格接收裝置所接收纖維膜的水接觸角隨著網孔尺寸的增大而減小。

（3）隨著接收裝置網孔的增加，纖維膜對香煙煙霧的吸收量和對不同尺寸的顆粒物的過濾效果均減?。浑S著顆粒物尺寸增加，三種纖維膜的過濾效果均呈上升趨勢，最小網孔接收的纖維膜對大顆粒過濾效率達90%以上。