PAN/PU/PP 復合濾材的制備及性能分析

李金超 梅 碩 馬 骉 杜雨佳

（1.河南工程學院，河南鄭州，451191；2.中原工學院，河南鄭州，450007）

近年來，微細顆粒物（PM2.5）造成的霧霾對人體的損害受到人們廣泛關注，由于大量聚集的懸浮顆粒攜帶大量的重金屬、氮氧化物和細菌等有害物質，對人體的健康具有重大威脅［1-2］。而傳統的熔噴非織造布對亞微米和納米尺度的微細顆粒物過濾能力較差。因此，高效低阻空氣過濾材料成為研究熱點［3］。

靜電紡絲納米纖維膜具有纖維直徑小、纖維間孔隙小等優點，在空氣過濾領域受到持續關注［4-5］，但也存在生產速度慢等問題，制約其進一步的發展。因此有研究通過將靜電紡絲技術與熔噴技術結合，制備微納米結構過濾材料［6-7］，以實現更快更優的過濾性能。為進一步探索最優紡絲原料，部分研究將不同原料進行共混紡絲，期望制得力學性能和過濾性能更優的納米纖維膜［8-10］。

為充分利用熔噴非織造布生產速度快和靜電紡納米纖維膜孔徑小的優點，本研究以熔噴聚丙烯（PP）非織造布為接收基布，采用靜電紡絲技術制備聚丙烯腈（PAN）和聚氨酯（PU）的混合溶液，再采用靜電紡絲技術制備PAN/PU/PP 復合濾材。其中，PU 可改善納米纖維膜強力低、耐磨性差等缺點［11］；微米級熔噴PP 非織造布起支撐作用的同時，可阻隔相對較大顆粒物，而孔徑更小的納米纖維膜主要過濾超細顆粒物。對比分析了制備的復合濾材與常規熔噴PP 非織造布各項性能。

1 試驗部分

1.1 材料

聚丙烯腈粉末（PAN，相對分子質量6×105），聚氨酯（PU，大邱泡沫塑料有限公司）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF，天津凱通化學試劑有限公司）；熔噴PP 非織造布（過濾效率88.5%，阻力壓降18.63 Pa，鄭州豫力新材料科技有限公司）。

1.2 PAN/PU/PP 復合濾材的制備

以DMF 為溶劑，配置不同質量分數且不同PAN/PU 配比的紡絲液，室溫條件下磁力攪拌8 h，然后靜置脫泡。

將配制好的紡絲液導入針管，固定在推進泵上，紡絲噴頭采用0.67 mm 的針頭，設置擠出速率1 mL/h，接收輥平整卷繞一層熔噴PP 非織造布，設置轉速120 r/min，紡絲達到給定時間后，即得PAN/PU/PP 復合濾材。

1.3 表征與測試

掃描電鏡形貌表征（SEM）：將試樣裁剪為平整的小塊，用導電膠粘貼在試樣臺上，再對試樣鍍膜；使用Sigma 500 型場發射掃描電子顯微鏡觀察納米纖維膜形態，并測量纖維直徑。

表面水接觸角測試：在纖維膜上任取平整位置，緩慢滴下一滴水，使用JC2000E 型接觸角測量儀抓拍水滴落在納米纖維膜上的形態，利用軟件進行多次測試，計算平均值得到水接觸角。

過濾性能測試：使用TSI8130 型自動濾材測試儀測試試樣在空氣流速32 L/min 時的過濾效率與阻力壓降。計算不同試樣的品質因數QF=-ln （1-η）/ΔP［12］，其中：η為過濾效率（%），ΔP為阻力壓降（Pa）。可以看出，當具有較高的過濾效率和較低的阻力壓降時，QF值越大，濾材綜合性能越好。

2 結果與討論

2.1 紡絲工藝參數優選

圖1 為復合濾材的微觀形貌，其中熔噴PP 非織造布作為接收基布位于底部，其纖維細度約為靜電紡絲納米纖維的10 倍左右，熔噴纖維形成的孔徑較大，主要起支撐作用；直徑較小的納米纖維形成的孔徑更小，對微細顆粒物的過濾阻隔效果更加優異。

圖1 PAN/PU/PP 復合濾材微觀結構

為探索最佳紡絲工藝，本研究以紡絲液PAN/PU 質量分數、PAN/PU 配比、接收距離、電壓為主要影響因素，設計四因素三水平正交試驗，具體水平設置如表1 所示。

表1 正交設計因素水平表

根據正交試驗設計，需進行9 組紡絲試驗。通過TSI8130 型自動濾料測試儀分別測試9 組試樣的過濾效率及阻力壓降，并計算得到的纖維濾材品質因子QF；以品質因子作為評價標準，得出最佳紡絲工藝參數：PAN/PU 質量分數10%，PAN/PU 配比7∶3，接收距離18 cm，電壓20 kV。

2.2 紡絲液質量分數對纖維直徑及形貌的影響

PAN/PU 的性質對納米纖維膜的結構及性能影響顯著，其中，PAN/PU 質量分數對納米纖維直徑及均勻度影響顯著。圖2 為PAN/PU 質量分數分別為10%、12%、14%的PAN/PU 納米纖維膜的SEM 圖像。由圖2 可知，在其他條件相同時，隨著紡絲液質量分數的增加，納米纖維直徑逐漸增加（平均直徑分別為190 nm、263 nm 和265 nm）；這主要是由于紡絲液的黏稠度增大，減弱了靜電場的拉伸作用，所得纖維直徑增加。

另外，隨機取向的纖維形成的空隙也隨著PAN/PU 質量分數的增加而逐漸增大，質量分數10%時纖維膜最為致密，空隙最小，與正交試驗得出的質量分數10%時過濾效率最優一致。

2.3 紡絲時間對復合濾材過濾性能的影響

按照前文優選的工藝參數組合配制紡絲液并進行靜電紡絲，探討紡絲時間對復合濾材過濾性能的影響。圖3 為氣流速度32 L/min 時，過濾效率和阻力壓降隨紡絲時間的變化情況。

圖3 復合濾材過濾效率及阻力壓降隨靜電紡絲時間的變化趨勢

由圖3 可知，紡絲時間10 min 時，復合濾材的過濾效率已經達到97.7%，與熔噴PP 非織造布（過濾效率88.5%）相比已顯著提高。整體來看，過濾效率和阻力壓降均隨紡絲時間的增加而增大；紡絲時間越長，納米纖維膜越厚，纖維堆積越致密。因此，孔徑越小，過濾效率越高，而阻力壓降也會隨之增高。過濾效率隨紡絲時間先快速增加，后增加逐漸緩慢；而阻力壓降在紡絲時間20 min～30 min 時出現增加緩慢的情況。為綜合考慮過濾性能，計算得到不同紡絲時間下復合濾材的品質因子：紡絲時間30 min 時復合濾材品質因子最優，此時復合濾材的過濾效率（99.2%）及阻力壓降（51.9 Pa）均性能優異。

2.4 使用時間對復合濾材過濾性能的影響

常規熔噴駐極過濾材料受使用環境溫濕度等影響，在一段時間后，存在電荷易耗散導致過濾效率下降的缺陷。為探究使用時間對濾材過濾性能的影響，將氣溶膠中的NaCl 顆粒持續經過試樣1 min，然后測量試樣的過濾性能，測試10 次共10 min，并分析使用時間對熔噴PP 非織造布及復合濾材過濾性能的影響，如圖4 所示。

圖4 濾材過濾效率隨使用時間變化對比

由圖4 可知，一方面，復合濾材整體過濾效率明顯優于常用的熔噴PP 非織造布；另外，熔噴PP非織造布的過濾效率隨使用時間的增加而逐漸下降，而復合濾材的過濾效率能夠穩定在較高水平且逐漸升高，這對于一些要求等級較高的場合如病毒防護時具有顯著優勢。造成這一差異的原因主要是復合濾材的過濾機理與熔噴PP 非織造布不同。熔噴PP 非織造布一般都經過駐極處理，其過濾機理除依靠空隙進行過濾外，還借助駐極處理后纖維表面的靜電吸附微細顆粒物。而隨著使用時間的增加，吸入的顆粒物會吸附于熔噴纖維表面，由于纖維表面靜電比較微弱，纖維表面聚集的顆粒物會逐漸降低纖維本身對后續顆粒物的吸附能力，從而導致其過濾效率逐漸下降；而復合濾材主要靠納米纖維形成的細小空隙對微細顆粒物進行機械過濾，因此不存在靜電衰減問題，而隨著顆粒物在納米纖維膜空隙處逐漸堆積，孔徑越來越小，因此過濾效率越來越高。與此同時，隨著使用時間的增加，與其他空氣過濾材料相同，阻力壓降必然會因為顆粒物的逐漸吸附、堆積而逐漸增加。因此在使用過程中，在關注過濾效率的同時，阻力壓降也需滿足標準要求，當阻力壓降超過一定值時，需更換濾材。

2.5 表面水接觸角測試

當過濾材料用于口罩等與人體接觸的場合時，濾材需要具有一定吸濕透濕能力，將人體呼出的熱濕空氣順利傳導出去，從而保持干爽舒適性［13］。材料的水接觸角越小，表明其親水性越好。為探究PAN/PU 配比對復合濾材親水性的影響，采用接觸角測試儀分別對配比為3∶7、5∶5、7∶3 的復合濾材（質量分數10%）進行測試。復合濾材的水接觸角隨PAN 含量的增加而減小，分別為116.3°、99.2°、85.5°，濾材由疏水性向親水性（接觸角小于90°）轉變。這是由于與PU 相比，PAN中強極性的氰基與水分子有良好的結合能力［14］。

3 結論

本研究采用靜電紡絲技術制備了PAN/PU/PP 復合濾材，通過正交試驗確定最優紡絲參數，并對試樣的形貌特征、過濾性能、表面水接觸角進行表征與測試，主要得到以下結論。

（1）微觀形貌觀測顯示，靜電紡絲納米纖維形成的纖維孔徑遠小于熔噴非織造布的孔徑，從而使復合濾材的過濾效率大大提高。

（2）靜電紡絲納米纖維膜在較短的紡絲時間內，即可明顯提升熔噴非織造布的過濾效率；紡絲時間30 min 時，制備的復合濾材的綜合過濾性能較優。

（3）通過對熔噴PP 非織造布和復合濾材的過濾性能隨使用時間的變化情況進行分析發現：熔噴PP 非織造布隨使用時間即濾材中容塵量的增多，存在非常明顯的過濾效率下降的缺陷，這主要與熔噴纖維吸附顆粒物后存在靜電衰減有關；而復合濾材的過濾效率隨使用時間能保持較高水平，體現出顯著的性能優勢。

（4）PAN/PU 的配比在一定程度上會影響復合濾材的親疏水性能。隨著PAN 含量的增加，濾材由疏水性逐漸向親水性轉變，可在一定程度上改善其吸濕、透濕性能。