靜電紡PA 6/CS復(fù)合纖維膜的過濾性能研究*

劉雷艮韓茹

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織服裝與藝術(shù)傳媒學(xué)院，蘇州，215008)

摘要：采用自制單噴頭靜電紡絲設(shè)備，以聚丙烯熔噴非織造布為基布，制備靜電紡聚酰胺6/殼聚糖(PA 6/CS)復(fù)合纖維膜，研究了靜電紡絲時間對復(fù)合膜表面形貌、孔徑和過濾性能的影響。結(jié)果表明：隨著靜電紡絲時間增加，復(fù)合纖維膜對NaCl氣溶膠的過濾效率顯著增加，過濾阻力明顯增加，品質(zhì)因子先增加后減??；連續(xù)紡絲90 min后，復(fù)合纖維膜的過濾效率達(dá)到99%以上。

關(guān)鍵詞：靜電紡絲，聚酰胺6，殼聚糖，過濾性能

中圖分類號：TQ340.649文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目*蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然一般(JMY21303)

收稿日期：2014-09-26

作者簡介：劉雷艮，女，1979年生，講師。主要研究方向?yàn)楦呒夹g(shù)纖維的開發(fā)與應(yīng)用。

通過靜電紡絲可以制備具有較大比表面積和表面吸附能的納米級纖維。靜電紡纖維膜具有高孔隙率和貫通的三維孔隙結(jié)構(gòu)，且纖維表面殘留大量靜電荷[1]，這些特性使得其對粉塵具有很高的捕集效率和較小的過濾壓降，因此很適合用作空氣過濾材料[2]。但是，靜電紡纖維膜的強(qiáng)力差，很難滿足過濾時的壓力要求，因此常與非織造基布復(fù)合來增加其力學(xué)性能[3-5]。

殼聚糖(CS)是一種無毒無害的天然抗菌材料，可以較好地抑制粉塵表面攜帶的細(xì)菌和微生物，但是較難進(jìn)行靜電紡絲；而聚酰胺6(PA 6)可紡性好，其靜電紡纖維的直徑可達(dá)100 nm以下。本文采用自制單噴頭靜電紡絲設(shè)備，以聚丙烯熔噴非織造布為基布，制備了靜電紡PA 6/CS納米復(fù)合纖維膜，并研究了該復(fù)合纖維膜的表面形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)及其對NaCl氣溶膠的過濾性能。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料

PA 6樹脂顆粒，上海百靈威化學(xué)技術(shù)有限公司；

殼聚糖，MW=2×104g/mol，脫乙酰度80%，青島云宙生物科技有限公司；

聚丙烯熔噴非織造布，市售，面密度為29.4 g/m2；

88%甲酸，上海試劑總廠。

1.2靜電紡絲

在室溫條件下，將一定量的PA 6樹脂顆粒和CS粉末經(jīng)JB-90-3型定時恒溫磁力攪拌器充分?jǐn)嚢枞芙庥?8%甲酸中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的靜電紡絲溶液，其中殼聚糖占1%。

靜電紡絲設(shè)備如圖1所示。先將聚丙烯熔噴非織造布固定在金屬接收屏表面，然后將紡絲液注入5 mL玻璃注射管中(針頭內(nèi)徑為0.45 mm)，連續(xù)靜電紡絲15～90 min，獲得復(fù)合纖維濾料試樣；將紡得的試樣在室溫下放置24 h后再進(jìn)行各項(xiàng)測試。紡絲工藝參數(shù)為：紡絲電壓15 kV，噴絲頭與接收屏之間的距離15 cm，紡絲液流量0.06 mL/h，接收屏轉(zhuǎn)速18.8 cm/s。

圖1　靜電紡絲設(shè)備示意

1.3性能測試

1.3.1形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用S-4800型掃描電子顯微鏡記錄過濾前后復(fù)合纖維膜的表面形貌，加速電壓15 kV，發(fā)射電流10.5 mA。采用HJ2000通用圖像分析軟件計(jì)算纖維直徑，并統(tǒng)計(jì)其分布情況，每一試樣測試?yán)w維100根左右。

1.3.2過濾性能

采用TSI8130型全自動過濾測試儀(美國明尼蘇達(dá)州TSI有限公司)測試試樣的過濾效率和過濾阻力。NaCl氣溶膠質(zhì)量中值直徑為260 nm，數(shù)量中值直徑為75 nm，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過1.83，氣流流量為(85±0.2) L/min，每組試樣分別測試5次，取平均值。

1.3.3孔徑

采用Porometer 3G孔徑分析測試儀(美國康塔公司)測試試樣的孔徑大小及其分布，每組試樣分別測試3次，取平均值。

2結(jié)果與分析

2.1表面形貌

圖2為各試樣過濾NaCl氣溶膠顆粒前后的表面SEM照片。

圖2(b)是過濾后聚丙烯熔噴非織造布的表面形貌，表面未見NaCl顆粒殘留；圖2(e)是過濾后靜電紡絲90 min復(fù)合纖維膜的表面形貌，可見表面吸附了較多的NaCl顆粒；圖2(c)和圖2(d)分別是過濾前靜電紡絲15和90 min復(fù)合纖維膜的表面形貌，可以看到靜電紡絲15 min復(fù)合纖維膜的靜電紡纖維層較薄，基布纖維仍然可見，而靜電紡絲90 min復(fù)合纖維膜的靜電紡纖維層能較好地覆蓋基布纖維，但是分布不均勻。

聚丙烯熔噴非織造布的纖維直徑為(2.1±0.73)μm，平均孔徑為10.3 μm，最大孔徑為11.9 μm，最小孔徑為9.58 μm；而靜電紡PA 6/CS纖維的直徑為(88±10.1) nm，靜電紡絲90 min復(fù)合纖維膜的平均孔徑為4.35 μm，最大孔徑為9.18 μm，最小孔徑為3.83 μm。這說明在非織造基布上復(fù)合靜電紡納米纖維層能明顯降低材料的孔徑，但分布均勻性差，導(dǎo)致孔徑分布范圍寬。

2.2過濾性能

根據(jù)經(jīng)典纖維過濾理論，纖維過濾材料主要通過攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、布朗擴(kuò)散、重力沉降和靜電捕獲5種方式捕集空氣中的微粒，微粒被捕集是幾種機(jī)理共同作用的結(jié)果[6]。過濾性能通常用過濾效率、過濾壓降、品質(zhì)因子和容塵量來表示。根據(jù)經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式，過濾效率和品質(zhì)因子定義為：

圖2　過濾前后各試樣的SEM照片

(1)

(2)

式中：η——過濾效率；

c1——過濾前氣溶膠濃度；

c2——過濾后氣溶膠濃度；

QF——品質(zhì)因子；

ΔP——過濾壓降。

過濾效率越高，過濾壓降越小，則過濾器的品質(zhì)因子越大，其過濾性能越好。

Brown[7]認(rèn)為對于非織造纖維過濾器的過濾效率可定義為：

(3)

式中：α——纖維填充密度；

ηf——單纖維過濾效率；

Z——纖維層厚度；

df——平均纖維直徑。

由此可見，纖維填充密度越大，纖維層越厚，纖維直徑越小，則纖維過濾器的過濾效率越大。

根據(jù)Davies[8]經(jīng)驗(yàn)公式，通過清潔非織造纖維過濾器的壓力降為：

(4)

式中：U0——表面風(fēng)速；

μ——空氣動力黏度。

由此可見，纖維層厚度越大，纖維填充密度越大，纖維直徑越小，則過濾壓降越大。而此三種因素對過濾效率的影響結(jié)果恰好相反，這也說明了過濾效率和過濾壓降之間存在的矛盾關(guān)系。

由表1可見，隨著紡絲時間增加，復(fù)合纖維膜的過濾效率逐漸增加，過濾壓降逐漸增大，品質(zhì)因子先增加后減小。靜電紡絲15 min即可顯著提高聚丙烯熔噴非織造布的過濾效率，而過濾壓降沒有明顯增加，品質(zhì)因子增加的幅度最大；當(dāng)靜電紡絲60 min時，復(fù)合纖維膜的過濾效率可達(dá)98.57%，過濾壓降迅速增加，品質(zhì)因子增幅不明顯；再繼續(xù)增加紡絲時間，復(fù)合纖維膜的過濾效率增幅變緩，過濾壓降繼續(xù)迅速增加，品質(zhì)因子略有下降。由上述分析可知，聚丙烯熔噴非織造布的纖維直徑和孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NaCl氣溶膠的中值直徑，且纖維填充密度較小，過濾過程中絕大部分NaCl氣溶膠可以直接穿過非織造布，致使過濾效率很低，品質(zhì)因子很小。而靜電紡PA6/CS的纖維直徑達(dá)納米級，并且填充密度較大，由公式(3)和公式(4)可知，過濾效率和過濾壓降都會迅速增加；同時，隨著紡絲時間的延長，靜電紡纖維層的厚度增加，過濾效率逐漸提高，但過濾阻力也迅速增加，且過濾壓降的增幅遠(yuǎn)超過過濾效率的增幅，從而導(dǎo)致品質(zhì)因子在過濾效率達(dá)到一定程度后而有所下降。

表1紡絲時間對靜電紡復(fù)合纖維膜過濾性能的影響

3結(jié)論

(1)采用自制靜電紡絲設(shè)備可制備直徑為(88±10.1) μm的PA 6/CS納米纖維，與聚丙烯熔噴非織造布復(fù)合可以顯著改善聚丙烯熔噴非織造布的過濾性能。

(2)隨著靜電紡絲時間的增加，復(fù)合纖維膜對NaCl氣溶膠的過濾效率迅速增加，但過濾阻力亦急劇增加，品質(zhì)因子并未明顯增大。靜電紡絲90 min后，復(fù)合纖維膜的過濾效率可達(dá)99%以上，過濾阻力達(dá)307.2 Pa?？筛鶕?jù)實(shí)際需要選擇靜電紡絲時間，以協(xié)調(diào)過濾效率和過濾阻力之間的矛盾關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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Filtration properties of electrospun PA 6/CS

composite fibrous membrane

LiuLeigen,HanRu

(School of Textile Clothing & Artistic Media, Suzhou Institute of Trade & Commerce)

Abstract:Electrospun PA 6/CS composite fibrous membrane was preparated on polypropylene melt-blown nonwovens by single jet electrospun equipment. The effluence of electrospun time to surface morphology, pore size, filtration properties was studied. The results show that the filtration efficiency and filtering press drop of composite fibrous membrane to NaCl aerosol was increased significantly, but the quality factor was increased firstly and decreased secondly. The filtration efficiency of composite fibrous membrane was increased to 99% for 90 min.

Kaywords: electrospinning, PA 6, chitosan, filtration property

瓦克集團(tuán)2015財(cái)年預(yù)計(jì)將繼續(xù)實(shí)現(xiàn)增長

瓦克集團(tuán)作為一家全球性的公司,其經(jīng)營業(yè)務(wù)包括世創(chuàng)電子材料、瓦克有機(jī)硅、瓦克聚合物、瓦克多晶硅、瓦克生物科技等。集團(tuán)在世界各地設(shè)有25個生產(chǎn)基地，并在歐洲、美洲和亞洲29個國家設(shè)有子公司和銷售辦事處，在中國的發(fā)展也尤為穩(wěn)健。

近日瓦克集團(tuán)宣布，集團(tuán)2014年實(shí)現(xiàn)銷售額48.3億歐元，比2013年(44.8億歐元)高出約8%，各業(yè)務(wù)部門均實(shí)現(xiàn)銷售量增長；利息、稅、折舊、攤銷前利潤(EBITDA)為10.423億歐元(2013年為6.788億歐元)，同比提高了近54%。EBITDA利潤率從15.2%大幅增長至21.6%。其中，2014財(cái)年集團(tuán)大中華區(qū)銷售額為12.2億歐元，與2013年(10.7億歐元)相比增長14%。此成績得益于中國整體宏觀經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及集團(tuán)對下游產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)施和本土研發(fā)的持續(xù)投入。

瓦克集團(tuán)預(yù)期，集團(tuán)2015年全年的銷售額和除去特殊收益后的EBITDA均將高于2014年，銷售額增長率可達(dá)1%~9%的高位數(shù)，各業(yè)務(wù)部門的銷售量和銷售額均將高于2014年。集團(tuán)EBITDA在除去賠償金和更新供貨合同而獲得的特殊收益后，將略高于2014年相應(yīng)值。EBITDA利潤率則將有所下降，主要原因?yàn)槊绹锛{西州查爾斯頓新生產(chǎn)基地產(chǎn)生的啟動費(fèi)用。2015年投資額將高于2014年，約為7億歐元，各類折舊費(fèi)將在6.25億歐元左右，略高于2014年水平。凈現(xiàn)金流量將稍有增長，凈金融負(fù)債將主要因?yàn)樵诿绹锛{西州的投資而增加2億~3億歐元。集團(tuán)年終利潤將因特殊收益減少和略高于50%的稅率而低于2014年水平。