基于環境因素的駐極熔噴布及靜電紡絲膜性能研究

王明芳 周 鳳

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇 常州213164）

靜電紡絲（簡稱電紡）工藝參數的改變可制備直徑范圍在納米至亞微米的超細納米纖維膜，電紡膜比表面積較大、吸附能力較強，防護過濾性能好，電荷儲存能力強；駐極熔噴布的纖維越細比表面積越大，吸附效果就越好，駐極熔噴布電荷儲存時間雖長，但電荷會因外界環境因素散失而降低過濾性能。研究環境溫度、濕度、化學物質等因素對濾材電荷的衰減有助于分析環境對濾材過濾性能的影響。

1 實驗材料

選用企業工業化生產的2種面密度的電暈駐極PP熔噴布（1#樣單位面積質量為25.6g/m2、2#樣單位面積質量為32.0g/m2），纖維直徑分布在2～7μm；納米纖維膜強力低,實驗室自制2種面密度的納米纖維層與基布駐極熔噴布復合膜（3#樣、4#樣）。

1.1 實驗室自制靜電紡絲復合膜

通過對聚丙烯腈溶液施加外加電場，受庫倫斥力的帶電液滴克服表面張力形成噴射細流來制備納米纖維，在噴射過程中,溶劑迅速蒸發,細流固化成超細纖維落在接收裝置的駐極熔噴布上形成無序狀的纖維膜。

1.1.1 試紡材料及裝置

試紡材料：（1）聚丙烯腈（PAN，相對分子量15000），蘇州輝通旺塑化有限公司提供；（2）N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶劑，山東德彥化工有限公司提供；（3）基布：基布為面密度12.5g/m2的駐極熔噴布，透氣率為485mm/s，過濾效率22%，阻力32.8Pa。

試紡儀器：（1）恒溫磁力加熱攪拌器；WZ-50C6微量注射泵；萬分位電子天平；YG141D數字式織物厚度儀；塑料鑷子；注射器20mL；（2）DW-P303-3ACCC高壓直流電源，輸出電壓在0～50kV可調，電流50mA；

實驗室自制靜電紡絲裝置如圖1，高壓靜電加在噴頭上，通過調節流量泵壓力控制流速；接收板接地，在噴頭和接收板之間形成一個電場，接收板上放置聚丙烯（PP）熔噴纖維布作為基布接受纖維噴射流。

圖1 實驗室自制試驗靜電紡絲裝置

1.1.2 試紡樣品

為測試分析樣品性能，采用前期試紡研究得到的最佳工藝參數，設計單因素紡絲工藝制取纖維膜，固定電壓在20kV，實驗中配置10%質量分數溶液放置在磁力攪拌器上，常溫攪拌得到均勻透明且無氣泡的紡絲溶液，注入到注射器中；噴絲頭與收集板之間距離為150mm；紡絲液流速0.8mL/h。設計紡絲時間，獲取電紡膜樣品，選取納米層的纖維直徑約為250～500nm，納米纖維層面密度1.0g/m2為3#樣，選取納米纖維層面密度2.2g/m2為4#樣。

2 環境因素變化對性能的影響

選用納米纖維層與基布駐極熔噴布復合膜及駐極熔噴布為研究對象，模擬存放環境，探討環境溫度、濕度、存放時間及乙醇對1#、2#、3#、4#樣品表面靜電、透氣性能、過濾性能、氣流阻力的影響。

2.1 預處理

將試樣放入FAST恒溫烘箱中，設定一溫度恒溫處理30min，自然冷卻；將試樣放入可程式恒溫恒濕箱中，設定一濕度恒濕處理60min；乙醇處理；試樣放置一定時間。

2.2 測試

氣溶膠顆粒物的過濾效率是檢測口罩的一項重要指標，依據《GB19083-2010醫用防護口罩技術》要求，防護等級為1級的口罩對于鹽性氣溶膠顆粒物過濾效率≥95%，過濾效率≥99%為2級，過濾效率≥99.97%為3級。在氣體流量為85L/min情況下，口罩的吸氣阻力不得超過343.2Pa。對經過預處理的試樣按國標進行靜電、透氣性及過濾性能測試。使用YG342N感應式織物靜電測試儀及HX-8220表面抵抗試驗機測試樣品靜電性能；參考標準GB/T5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用南通宏大實驗儀器有限公司的YG461N型透氣性測試儀，在測試面積為20cm2、試樣壓差為100Pa的試驗條件下測試樣品透氣率；使用溫州方圓儀器有限公司FYY268-II顆粒物過濾效率測試儀測試電紡膜及駐極熔噴布的過濾效率和過濾阻力，在氣體流速為85L/min的鹽性氣溶膠顆粒（NaCl溶液中Na－Cl的質量分數為2%）的試驗條件下，測試4種樣品的顆粒過濾效率及氣流阻力。

3 結果與分析

1#—4#原樣過濾性能見表1，納米纖維層面密度為2.2g/m2的過濾效率最高且濾阻滿足醫用防護品等級要求。

表1 1#—4#原樣過濾性能

3.1 溫度影響

四塊樣品都隨著溫度的升高而出現峰值靜電衰減（圖2），在試驗溫度37℃、60℃時的衰減率明顯小于實驗溫度達到70℃以后的衰減率，這是因為隨著溫度的升高，從淺阱中逐步釋放出的電荷逸出或被深阱重新捕獲。

圖2 環境溫度改變時樣品靜電值

3.2 濕度影響

隨著環境濕度的增加，樣品的靜電衰減變大（圖3），復合膜的衰減大于駐極熔噴布，相對濕度小于50%時峰值靜電較穩定，相對濕度50%以下的濕度環境有利于電紡膜及駐極熔噴布電荷的儲存，口罩在佩戴時也會因積累水份而加快電荷的散失。

圖3 環境濕度改變時樣品靜電值

3.3 存放時間

實驗樣品選擇常溫條件存放，測試其間隔一定時間的靜電散失情況（圖4），隨著存放時間的延長，電荷呈減少趨勢。

圖4 存放時間對樣品靜電影響

圖5 靜電衰減對過濾性影響

3.4 環境介質

對四塊樣品均勻噴灑不同質量分數的乙醇，濾材中的電荷迅速衰減，質量分數越大電荷衰減越快，這是因為溶劑分子會使聚合物發生輕微溶脹，破壞濾材中的陷阱而加速材料中電荷的釋放。

3.5 靜電對樣品過濾效能及透氣性的影響

電暈駐極熔噴布、電紡復合膜均因靜電荷衰減而使過濾效率下降，但納米電紡復合膜仍能保持較高的過濾效率，電暈駐極熔噴布在靜電荷散失后過濾效率下降較多。電暈駐極熔噴布的過濾機理分為機械過濾和靜電吸附，纖維直徑在4～10μm，對細小顆粒物的過濾效果并不理想，靜電散失后很難通過機械作用過濾掉0.3μm左右的顆粒；納米電紡膜的纖維直徑小（250～500nm），較大的比表面積，能過濾掉更小粒徑的鹽性氣溶膠。

高溫、高濕、長時間存放對樣品的透氣性影響較小，這是因為濾材的三維纖維結構具有良好的透氣性；乙醇對樣品的過濾性能影響較大，此條件下透氣性的研究已不具備意義。

4 總結

（1）在熔噴布表面復合了納米纖維后，透氣性下降，但隨著納米膜面密度的增加，復合納米纖維膜的過濾效率顯著增加；電荷衰減對復合膜過濾效率的降低程度好于PP駐極熔噴布，納米纖維層的孔徑小，基布與納米層復合后過濾性能的提高主要取決于納米纖維的性能。

（2）PP駐極體有較好的電荷耐久性，但電荷隨溫度、環境濕度和時間的增加逐漸衰減，過濾效率也會相應下降，高溫、高濕環境都不宜存放PP駐極熔噴布。

（3）使用過程中，為增加濾材靜電荷的穩定性和保證口罩的過濾效率，應避免高溫高濕的存放環境，不使用乙醇消毒。