胡瀟雨 華亞楠 李 波 李愛雪 劉大力 呂曉慧 劉文波

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱,150040)

·麻漿制口罩濾紙·

改性麻漿制備PM2.5口罩濾紙的研究

胡瀟雨 華亞楠 李 波 李愛雪 劉大力 呂曉慧 劉文波*

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱,150040)

以(劍)麻漿為原料，采用NaOH-尿素-硫脲溶液體系對(duì)其進(jìn)行改性，再利用超聲波對(duì)其進(jìn)行協(xié)同打漿處理，使纖維發(fā)生潤(rùn)脹、氫鍵破壞、結(jié)構(gòu)松弛，產(chǎn)生分絲和微纖化，并用其抄造精細(xì)濾紙，達(dá)到PM2.5口罩濾材的過(guò)濾性能。采用正交實(shí)驗(yàn)的方法，探討試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、改性溫度、改性時(shí)間、超聲波處理時(shí)間等因素對(duì)纖維改性效果的影響；通過(guò)改性前后麻漿纖維形態(tài)變化及所抄造濾紙性能等的對(duì)比分析，并參照3M公司9502型PM2.5口罩的各項(xiàng)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合評(píng)價(jià)改性效果。結(jié)果表明，在試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)24%、改性溫度-6℃、改性時(shí)間20 min、超聲波處理時(shí)間60 min的最佳改性條件下，改性麻漿纖維形態(tài)發(fā)生明顯變化，抄造的濾紙透氣度為313.12 L/(m2·s)，平均孔徑32.43 μm，最大孔徑36.95 μm，松厚度5.26 cm3/g，濾紙過(guò)濾性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，滿足PM2.5口罩濾材的性能要求。

麻漿；改性；PM2.5；口罩；濾紙

PM2.5是指能較長(zhǎng)時(shí)間懸浮于環(huán)境空氣中、空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于 2.5 μm的可入肺顆粒物[1]?；瘜W(xué)成分主要包括有機(jī)碳(OC)、元素碳(EC)、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽(Na+)等[2]。其來(lái)源為日常發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、尾氣排放等過(guò)程中經(jīng)燃燒排放的殘留物組成的人為源，以及土壤揚(yáng)塵、海鹽、植物花粉、孢子、細(xì)菌、火山灰等自然源。此外，大氣中氣態(tài)前體污染物通過(guò)大氣化學(xué)反應(yīng)生成的二次顆粒物也會(huì)成為來(lái)源之一。

目前，對(duì)PM2.5的防治大致分兩方面：一方面通過(guò)完善監(jiān)控體制、加強(qiáng)懲罰措施、倡導(dǎo)綠色環(huán)保生活方式等方法從根源上減少PM2.5的產(chǎn)生；另一方面人們通過(guò)減少戶外活動(dòng)、佩戴防護(hù)口罩等方式減少對(duì)PM2.5的吸入。其中，佩戴口罩是人們生活中最常見、方便、經(jīng)濟(jì)、有效的防治方式。

目前，市面上PM2.5口罩的主要材質(zhì)為棉纖維、熔噴纖維和其他人造纖維，部分口罩適量加入活性炭以增強(qiáng)口罩的阻隔、吸附能力[3]。其中，熔噴纖維口罩濾材種類多、阻隔細(xì)顆粒物效果好。但合成纖維不僅要消耗不可再生的石化資源，而且其原料多為聚丙烯，所以其降解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、難以回收。

植物纖維綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，可以用于制作PM2.5口罩濾紙。雖然植物纖維在制作口罩濾紙上具有巨大優(yōu)勢(shì)，但直接使用植物纖維抄造而成的濾紙?jiān)谶^(guò)濾性能、韌性、耐潮濕性等方面均存在一定缺陷，難以達(dá)到PM2.5口罩濾材的要求，必須加以特殊處理或改性。麻漿纖維具有堅(jiān)韌、質(zhì)輕、吸濕散濕快[4-5]等特性，是制造高級(jí)紙張、尤其是高透氣性紙張的優(yōu)質(zhì)原料；但未改性的麻漿纖維扁平、較挺硬，韌性差，纖維間以面與面形式交織，造成紙張松厚度和柔韌性差，影響過(guò)濾和使用性能。本研究以麻漿為原料，通過(guò)化學(xué)試劑與超聲波對(duì)其進(jìn)行協(xié)同改性，使改性麻漿抄造的濾紙具有良好的透氣性能及更理想的過(guò)濾精度，以滿足PM2.5口罩濾紙的性能要求。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 藥品與原料

NaOH、尿素(H2NCONH2)、硫脲(H2NCSNH2)均為分析純；異丙醇;劍麻漿(牡丹江恒豐紙業(yè)股份有限公司提供)；6000目(相當(dāng)于2.5 μm粒徑)高純滑石粉。

1.2 設(shè)備與儀器

XPS-7C光學(xué)顯微鏡(可圖像采集)；BCD-219WAYS2容聲低溫可控冰箱；JY98-ⅢDN超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)；ZQJ1-B-Ⅱ紙頁(yè)成型器；電熱鼓風(fēng)干燥箱；MP-10K濾紙孔徑測(cè)試儀，YG461E數(shù)字式透氣度儀；Z-SPAN-1000零距抗張強(qiáng)度測(cè)定儀；Quanta-200掃描電子顯微鏡；纖維分析儀(L&W)；濾紙過(guò)濾性能檢測(cè)裝置(東北林業(yè)大學(xué)研制)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 漿料準(zhǔn)備與改性試劑配制

將麻漿板撕碎后于水中浸泡24 h，濾干撕成均勻、米粒大小的碎片裝入保鮮袋平衡水分24 h。測(cè)定水分后，放入5℃冰箱備用；NaOH、尿素、硫脲按照不同濃度比配制改性試劑，并放置在不同處理溫度下預(yù)冷備用。

1.3.2 麻漿改性

取15 g絕干麻漿，放入300 mL預(yù)冷改性試劑中，在恒速攪拌器600 r/min下充分?jǐn)嚢?，立即放入不同設(shè)計(jì)溫度環(huán)境中處理預(yù)定時(shí)間, 將處理后的麻漿倒入網(wǎng)兜，擠出溶液，用清水洗滌麻漿。

1.3.3 超聲波協(xié)同打漿處理

用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)對(duì)改性處理后的麻漿按預(yù)定功率和時(shí)間進(jìn)行超聲波協(xié)同打漿處理。將麻漿裝入保鮮袋，恒定24 h后測(cè)水分。

1.3.4 濾紙抄造

將麻漿分散均勻后，在紙頁(yè)成型器上抄取定量為80 g/m2的濾紙手抄片，用熱電鼓風(fēng)干燥箱干燥，在玻璃干燥器中冷卻后備用。

1.4 分析與評(píng)價(jià)方法

1.4.1 纖維分析

采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、纖維分析儀對(duì)改性前后纖維形態(tài)和性狀進(jìn)行觀察、對(duì)比和分析。

1.4.2 濾紙物理性能的檢測(cè)

(1)濾紙透氣度的測(cè)定：本實(shí)驗(yàn)參照ISO9237—1995紡織品織物透氣性的測(cè)定，采用YG461E型數(shù)字式透氣性測(cè)試儀測(cè)定濾紙透氣度。

(2)孔徑的測(cè)定：按照ISO4003標(biāo)準(zhǔn)(異丙醇)氣泡法，采用MP-10K型濾紙孔徑測(cè)定儀測(cè)定濾紙最大孔徑和平均孔徑。

(3)零距抗張強(qiáng)度的測(cè)定：按照GB/T2678.4—1994，采用Z-SPAN-1000零距抗張強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定并計(jì)算零距抗張強(qiáng)度。

(4)厚度、松厚度的測(cè)定：利用紙張厚度測(cè)定儀(ZUS- 4)測(cè)定實(shí)驗(yàn)所抄造濾紙厚度，并計(jì)算濾紙的松厚度。

1.4.3 濾紙過(guò)濾性能的檢測(cè)

采用濾紙過(guò)濾性能檢測(cè)裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)所制備濾紙進(jìn)行過(guò)濾精度和過(guò)濾效率檢測(cè)，并與3M公司9502型口罩濾材對(duì)比。

向檢測(cè)裝置中通入一定量的6000目高純滑石粉作為空氣中的塵埃微粒，使其均勻懸浮，并在一定壓差下通過(guò)風(fēng)送使其通過(guò)檢測(cè)試樣，分析試樣低壓差側(cè)所通過(guò)塵埃微粒的量，得出試樣對(duì)塵埃微粒的截留率(過(guò)濾效率)。通過(guò)塵埃顆粒粒度、過(guò)濾效率以及試樣過(guò)濾時(shí)壓差等測(cè)試結(jié)果來(lái)分析試樣過(guò)濾性能。

1.5 實(shí)驗(yàn)方案

目前，還沒(méi)有口罩濾材的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，就其使用性能而言，濾紙過(guò)濾性能主要應(yīng)包括過(guò)濾精度、過(guò)濾效率、容塵能力等，其物理及結(jié)構(gòu)性能主要包括透氣度、孔徑、松厚度等，濾紙的過(guò)濾性能由其物理及結(jié)構(gòu)性能決定。實(shí)驗(yàn)對(duì)市場(chǎng)上較常見的PM2.5口罩(3M公司9502型口罩)的主要物理及結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行檢測(cè)，由于其過(guò)濾材料主要為聚丙烯材質(zhì)，是一種半結(jié)晶熱塑性塑料，測(cè)定其零距抗張強(qiáng)度無(wú)意義，因此對(duì)表1中4個(gè)基本性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，并以此為參考，制定本研究的預(yù)期目標(biāo)。

表1 3M公司9502型口罩濾材基本性能參數(shù)

根據(jù)表1，本實(shí)驗(yàn)所抄濾紙的目標(biāo)為：透氣度不低于288 L/(m2·s)，平均孔徑不大于37 μm，最大孔徑不大于48 μm，松厚度不低于3.56 cm3/g。

本實(shí)驗(yàn)首先將麻漿用NaOH-尿素-硫脲溶液處理進(jìn)行改性，使纖維發(fā)生潤(rùn)脹，變得光滑圓潤(rùn)、彎曲、破壞氫鍵結(jié)構(gòu)[6]。然后，在試劑處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行超聲波協(xié)同處理，使纖維發(fā)生分絲帚化、結(jié)構(gòu)松弛，進(jìn)一步改變麻漿纖維表面及其內(nèi)部形態(tài)，抄造濾紙時(shí)分離開來(lái)的微纖絲與纖維間交織結(jié)合，調(diào)節(jié)成紙孔徑大小，從而調(diào)節(jié)濾紙的過(guò)濾精度[7]。

實(shí)驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上，確認(rèn)了改性試劑m(NaOH)∶m(尿素)∶m(硫脲)為3∶3∶4，超聲功率600 W；篩選出改性試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、改性溫度、改性時(shí)間、超聲波處理時(shí)間共4個(gè)主要因素，開展其對(duì)紙漿纖維改性效果的影響，擬定一個(gè)四因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)L9(34)[8]，正交實(shí)驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)麻漿改性前后所抄造的濾紙進(jìn)行了透氣度、最大孔徑、平均孔徑、松厚度和零距抗張強(qiáng)度等物理及結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的測(cè)定，其結(jié)果見表3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，計(jì)算各因素各水平下的K值、平均k值及極差R，按照極差分析方法得出最優(yōu)(極大或極小)條件為：A3B2C2D3，即：試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)24%、改性溫度-6℃、改性時(shí)間30 min、超聲波處理

表3 麻漿纖維改性前后所抄造濾紙性能

時(shí)間60 min。按照此條件進(jìn)行改性并抄造濾紙，其透氣度為527.74 L/(m2·s)、平均孔徑38.48 μm、最大孔徑44.86 μm、松厚度4.02 cm3/g、零距抗張強(qiáng)度為68.24 N/15 mm。但是此條件下的濾紙部分性能與目標(biāo)值有差距，于是作正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)圖進(jìn)一步分析，探討與目標(biāo)值相符合的改性條件。

2.1.1 試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)濾紙性能的影響

在試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、16%、24%時(shí)進(jìn)行了9組正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)與濾紙性能的關(guān)系趨勢(shì)圖

由圖1可以看出，麻漿經(jīng)改性后所抄濾紙的透氣度、松厚度、最大孔徑、平均孔徑均有一定程度的提高，且隨著改性試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，提高得越明顯。尤其當(dāng)試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)24%時(shí)，透氣度、最大孔徑均比預(yù)期目標(biāo)理想，據(jù)本課題組研究成果，試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)24%后，除零距抗張強(qiáng)度外濾紙各指標(biāo)繼續(xù)增大，考慮到各方面因素，試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不易再增大；在低濃試劑作用下纖維主要發(fā)生潤(rùn)脹作用，氫鍵及結(jié)晶結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化，其韌性及強(qiáng)度都有一定程度增加，試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高后纖維氫鍵受到破壞、結(jié)構(gòu)變得松弛，纖維強(qiáng)度下降顯著，零距抗張強(qiáng)度降低。

2.1.2 改性溫度對(duì)濾紙性能的影響

在改性溫度-2℃、-6℃、-10℃下，進(jìn)行了9組正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 改性溫度與濾紙性能的關(guān)系趨勢(shì)圖

由圖2可以看出，隨著改性溫度的降低，所抄濾紙的最大孔徑、平均孔徑增大，透氣度、松厚度升高，零距抗張強(qiáng)度總體減小。隨改性溫度的降低，改性溶液迅速破壞麻纖維的氫鍵結(jié)構(gòu)，體系中OH-能夠破壞纖維素的氫鍵，潤(rùn)脹麻纖維，尿素和硫脲具有高電負(fù)性，能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的范德華力聚集在纖維的疏水部分，破壞纖維分子間的氫鍵、與纖維形成氫鍵、防止纖維分子間聚合，使纖維的潤(rùn)脹程度增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)松弛，使得濾紙平均孔徑、最大孔徑均增加，透氣度增大，零距抗張強(qiáng)度減小。-6℃時(shí)透氣度為310.12 L/(m2·s)，平均孔徑為35.17 μm，且較為接近目標(biāo)值，故-6℃為最佳改性溫度。

2.1.3 改性時(shí)間對(duì)濾紙性能的影響

在改性時(shí)間20 min、30 min、40 min下，進(jìn)行了9組正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 改性時(shí)間與濾紙性能的關(guān)系趨勢(shì)圖

由圖3可以看出，改性時(shí)間的增加對(duì)提高所抄造濾紙的透氣度、松厚度及孔徑有較明顯作用。改性時(shí)間越長(zhǎng)，試劑浸入纖維內(nèi)部程度越大，纖維潤(rùn)脹程度增大、自身結(jié)構(gòu)松弛、表面圓潤(rùn)、對(duì)流體阻力降低，纖維間交織重疊所形成的孔徑增大，濾紙的透氣度和松厚度也相應(yīng)提高。改性20 min后松厚度已達(dá)到4.66 cm3/g，透氣度升高至290.33 L/(m2·s)，平均孔徑達(dá)33.3 μm，零距抗張強(qiáng)度為133.08 N/15 mm。而改性30 min的正交實(shí)驗(yàn)最優(yōu)組，其平均孔徑為38.48 μm,而零距抗張強(qiáng)度為68.24 N/15 mm，這說(shuō)明改性時(shí)間超過(guò)20 min后，纖維處理過(guò)度，從而導(dǎo)致過(guò)濾精度降低，纖維強(qiáng)度、纖維結(jié)合強(qiáng)度都會(huì)相應(yīng)減小。故選擇20 min為最佳改性時(shí)間。

2.1.4 超聲波處理時(shí)間對(duì)濾紙性能的影響

在超聲波處理時(shí)間20 min、40 min、60 min下進(jìn)行了9組正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 超聲波處理時(shí)間與濾紙性能的關(guān)系趨勢(shì)圖

如圖4所示，隨著超聲波處理時(shí)間增加，所抄造濾紙透氣度、松厚度有所下降。超聲波協(xié)同打漿，能在保障纖維長(zhǎng)度的前提下，增強(qiáng)纖維的分絲帚化作用及細(xì)纖維化作用。同時(shí)存在一定程度的細(xì)胞破碎，細(xì)小纖維增多，并伴有少量細(xì)胞碎片，從而使纖維結(jié)合更加緊密，濾紙孔徑變小[4]。與處理?xiàng)l件同為24%質(zhì)量分?jǐn)?shù)試劑體系于-6℃下改性20 min但未經(jīng)過(guò)超聲波處理的漿料相比，超聲波處理60 min后，濾紙透氣度由431.07 L/(m2·s)降低至313.12 L/(m2·s)；但平均孔徑由37.16 μm降低至32.43 μm，最大孔徑由41.99 μm降低至36.95 μm?？梢姵暡ù驖{處理會(huì)在一定程度上改善濾紙的過(guò)濾精度。綜合以上分析，結(jié)合3M 9502型口罩的各項(xiàng)參數(shù)，可確定60 min為最佳超聲波處理時(shí)間。

綜合以上的分析與討論，得出滿足PM2.5要求的效果最適宜的改性條件為A3B2C1D3，即試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)24%、改性溫度-6℃、改性時(shí)間20 min、超聲波時(shí)間60 min。其改性纖維抄造濾紙物理及結(jié)構(gòu)指標(biāo)為：透氣度313.12 L/(m2·s)、平均孔徑32.43 μm、最大孔徑36.95 μm、松厚度5.26 cm3/g、零距抗張強(qiáng)度134.11 N/15 mm。

2.2 改性纖維及其濾紙性能分析

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)原麻漿纖維、改性麻漿纖維及改性后超聲波協(xié)同打漿處理的麻漿纖維進(jìn)行分析，主要針對(duì)纖維的長(zhǎng)度、寬度、勻整度、粗度、扭曲度、細(xì)小纖維含量等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，結(jié)合光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察、對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 麻漿纖維性能分析

由表4數(shù)據(jù)比較可得出，麻漿纖維經(jīng)改性后，纖維粗度、平均寬度、扭曲度均得到較為明顯提高，纖維寬度由18.4 μm提高至21.8 μm，纖維粗度由0.19 mg/m提高至0.45 mg/m，說(shuō)明麻漿纖維在改性溶液中得以充分潤(rùn)脹，變得圓潤(rùn)、彎曲[9]。同時(shí)，纖維扭曲度由20.8%增加至30.0%，說(shuō)明改性過(guò)程中纖維間的氫鍵結(jié)合遭到破壞，纖維發(fā)生扭曲。并且超聲波協(xié)同打漿處理后，纖維寬度、粗度均較試劑改性的有所下降，說(shuō)明超聲波協(xié)同打漿處理使纖維發(fā)生分絲帚化和微纖化，纖維表面有所剝離，從而纖維粗度、寬度均有所下降。

另外，改性后細(xì)小纖維含量減小(由5.2%降至5.0%)，1.50 mm內(nèi)纖維勻整度提高， 1.50 mm以上的纖維勻整度下降，是因?yàn)樵谠噭┨幚砑俺暡ㄌ幚磉^(guò)程中纖維碎片及細(xì)小纖維部分溶解，大部分纖維發(fā)生吸水潤(rùn)脹勻整度增大[10]，而在實(shí)驗(yàn)后期長(zhǎng)纖維在藥液浸漬及超聲波作用下有所斷裂，致使長(zhǎng)纖維勻整度下降。改性后纖維分絲帚化、微纖化增強(qiáng)纖維間結(jié)合力、減小孔徑，從而使濾紙具有一定的強(qiáng)度；細(xì)小纖維的減少保障濾紙孔徑不被堵塞，保障濾紙的透氣度；纖維潤(rùn)脹后柔軟、圓潤(rùn)，使濾紙結(jié)構(gòu)疏松有一定松厚度，因此提高了濾紙過(guò)濾性能[10-11]。

利用顯微鏡及掃描電子顯微鏡對(duì)原麻漿、改性麻漿纖維及改性后超聲波處理的麻漿纖維進(jìn)行觀察、對(duì)比及分析，見圖5～圖7。

圖5是原麻漿纖維的SEM圖，從圖5可知原麻漿纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)，呈扁平狀，且纖維挺直，可觀察到其表面粗糙、細(xì)小纖維較多，纖維截面扁平，胞腔較大。圖6是改性麻漿纖維的SEM圖，從圖6可以看出，經(jīng)改性后，纖維發(fā)生較為明顯的潤(rùn)脹，整根纖維潤(rùn)脹后變得圓潤(rùn)、光滑，纖維截面變大。圖7是改性麻漿纖維經(jīng)超聲波協(xié)同處理后的SEM圖，由圖7可以明顯看到在保持潤(rùn)脹的情況下，部分纖維出現(xiàn)分絲帚化、微纖化現(xiàn)象。

圖5 原麻漿纖維SEM圖

圖6 改性麻漿纖維SEM圖

圖7 超聲協(xié)同打漿處理改性麻漿纖維SEM圖

由此可知，麻漿纖維改性處理過(guò)程中，改性試劑可以滲入到纖維細(xì)胞壁，使麻漿纖維發(fā)生潤(rùn)脹，并且能夠破壞纖維間氫鍵和結(jié)晶結(jié)構(gòu)，促使纖維結(jié)構(gòu)松弛、纖維形態(tài)發(fā)生改變并且變?nèi)彳?。保障了濾紙的高透氣性能及柔韌性能，而超聲波協(xié)同打漿處理后，保障了纖維不被大量切斷且出現(xiàn)一定程度的分絲帚化[12]，并使剝離出來(lái)的微纖絲不會(huì)完全堵塞濾紙孔隙，進(jìn)而在保障一定透氣度的前提下，提高濾紙過(guò)濾精度，并賦予其一定的結(jié)合強(qiáng)度[13]，以滿足過(guò)濾PM2.5的口罩濾紙條件。

2.3 過(guò)濾性能初步檢測(cè)

通過(guò)濾紙過(guò)濾性能檢測(cè)裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)所抄造濾紙及3M公司9502型口罩濾材進(jìn)行過(guò)濾性能的檢測(cè)。結(jié)果為，實(shí)驗(yàn)所抄濾紙將6000目滑石粉塵埃微粒全部截留，通過(guò)濾紙的塵埃是0，即過(guò)濾效率為100%，但過(guò)濾壓差是280 Pa，說(shuō)明過(guò)濾阻力較大；而3M公司9502型口罩濾材過(guò)濾效率高于99.0%，過(guò)濾壓差是50 Pa。由此說(shuō)明實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)麻漿纖維改性所抄造口罩濾材能夠非常有效地過(guò)濾和截留PM2.5，過(guò)濾精度與效率達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，只是過(guò)濾壓差較大，說(shuō)明植物纖維對(duì)流體阻力較大，遠(yuǎn)不及合成纖維，有待于進(jìn)一步研究或改進(jìn)。

3 結(jié) 論

以(劍)麻漿為原料，通過(guò)試劑改性和超聲波協(xié)同打漿處理，通過(guò)對(duì)改性前后麻漿纖維形態(tài)變化及所抄造濾紙透氣度、松厚度、最大孔徑、平均孔徑、零距抗張強(qiáng)度等指標(biāo)的對(duì)比分析，同時(shí)參照3M公司9502型PM2.5口罩的各項(xiàng)物理及結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)改性效果。并對(duì)改性纖維所抄造濾紙過(guò)濾性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，麻漿纖維經(jīng)過(guò)改性后完全可以抄造出過(guò)濾PM2.5的口罩濾紙。

(1)試劑改性能夠使麻漿纖維發(fā)生顯著潤(rùn)脹，使纖維圓潤(rùn)，表面光滑。同時(shí)，破壞纖維間氫鍵，使麻漿纖維結(jié)構(gòu)變得松弛，隨著超聲波的協(xié)同打漿處理，纖維結(jié)構(gòu)更加疏松，并且纖維有明顯的分絲、微纖化。

(2)在試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)24%、改性溫度-6℃、改性時(shí)間20 min、超聲波協(xié)同打漿時(shí)間60 min的條件下改性，改性后麻漿纖維所抄造濾紙透氣度為313.12 L/(m2·s)、平均孔徑32.43 μm、最大孔徑36.95 μm、松厚度5.26 cm3/g、零距抗張強(qiáng)度134.11 N/15 mm。與目標(biāo)數(shù)據(jù)相比：透氣度更高、孔徑更小、松厚度較大，表明過(guò)濾精度提高，濾紙的容塵能力更好。

(3)以6000目滑石粉為污染粉塵，通過(guò)濾紙過(guò)濾性能檢測(cè)裝置對(duì)改性后麻漿纖維所抄造濾紙及目標(biāo)濾材進(jìn)行過(guò)濾性能的檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)所抄造的濾紙過(guò)濾效率可達(dá)100%。

[1] WU Lei. Review and prospect of the study on micro-particles proof fabric[J]. Progress in Textile Science & Technology, 2006(6): 5. 吳 磊. 微小顆粒防護(hù)材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 紡織科技進(jìn)展， 2006(6): 5.

[2] MENG Li, ZHOU Tao, ZHANG Shan-shan. Solving The Haze Admits No Delay[J]. Tian Jin Economy, 2013(3): 39. 孟 力， 周 濤， 張珊珊, 等. 根治霧霾刻不容緩[J]. 天津經(jīng)濟(jì)， 2013(3): 39.

[3] MA Ming-yuan, CHEN Mei-yu, WANG Dan. Development Status And Prospect Of The Mask[J]. Progress in Textile Science & Technology, 2014(6): 7. 馬銘遠(yuǎn)， 陳美玉， 王 丹, 等.口罩的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 紡織科技進(jìn)展， 2014(6): 7.

[4] ZHAO Huang, TU Heng-zhong. Influence Factors of Structural and Filtration Performance of Filter Paper[J]. Paper and Paper Making, 2006, 25(6): 1. 趙 璜， 屠恒忠. 影響濾紙結(jié)構(gòu)性能和過(guò)濾性能的一些因素[J]. 紙和造紙， 2006, 25(6): 1.

[5] YANG S H. Lignocellulosic Chemistry[M]. Beijing： China Light Industry Press， 2011. 楊淑蕙. 植物纖維化學(xué)[M]. 3版. 北京： 中國(guó)輕工業(yè)出版社， 2011.

[6] ZHANG Li Na, RUAN Dong, GAO Shan Jun. Dissolution and regeneration of celloluse in NaOH/thiourea aqueous solution[J]. Journal of Polymer Science Part: Polymer Physics, 2002, 40(14): 1521.

[7] XIANG Xiu-dong, WAN Xiao-fang, LI You-ming. The Effect of Ultrasonic Time on Preparation of Microfibrillated Cellulose from Bamboo Fibers[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(2): 9. 項(xiàng)秀東， 萬(wàn)小芳， 李友明, 等. 超聲處理對(duì)制備竹漿微纖化纖維素的影響[J]. 中國(guó)造紙， 2015, 34(2): 9.

[8] LI Zhi-xi, DU Shuang-kui. Optimization design and statistical analysis research[M]. Beijing: Science Press, 2010. 李志西， 杜雙奎. 試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)分析[M]. 北京: 科學(xué)出版社， 2010.

[9] HE B H. Papermaking Principle and Engineering[M]. Third Edition. Beijing: China Light Industry Press, 2012. 何北海. 造紙?jiān)砼c工程[M]. 3版. 北京: 中國(guó)輕工業(yè)出版社， 2012.

[10] LIU Rui, HAN Qing, QIAN Wei-wei. Dissolution Property of Pulp Fibers in NaOH-urea Solvent[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(7): 18. 劉 睿， 韓 卿， 錢威威. 纖維在NaOH-尿素體系中的溶解性能[J]. 中國(guó)造紙， 2015, 34(7): 18.

[11] Liu Wenbo, Yang Lu, Lv Xiaohui. High-permeability Filter Paper Prepared from Pulp FiberTreated in NaOH/Urea/Thiorea System at Low Temperature[J]. Bioresources, 2015, 10(3): 5620.

[12] LV Xiao-hui， YANG Lu， LIU Wen-bo. Pore in Paper and Its Structural Functions[J]. China Pulp & Paper, 2016, 35(3): 64. 呂曉慧， 陽(yáng) 路， 劉文波. 紙張的孔隙及其結(jié)構(gòu)性能[J]. 中國(guó)造紙， 2016, 35(3): 64.

[13] WANG Jian，LI Yao，WANG Zhi-jie. Effects of NaOH-urea System on the Swelling Property of Cotton Fiber[J]. China Pulp & Paper，2015，34(8): 24.王建，李耀，王志杰. NaOH-尿素體系對(duì)棉纖維潤(rùn)脹性能的影響[J]. 中國(guó)造紙，2015，34(8): 24.

(責(zé)任編輯：常 青)

Preparation of Filter Paper Used for Masks (PM2.5) from Modified Sisal Pulp

HU Xiao-yu HUA Ya-nan LI Bo LI Ai-xue LIU Da-li LV Xiao-hui LIU Wen-bo*
(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin,HeilongjiangProvince, 150040)(*E-mail： hljlwbo@163.com)

In this research, the sisal pulp was chosen as the raw material and was treated in NaOH-Urea-Thiourea aqueous solution cooperating with ultrasonic treatment to prepare high-accuracy filtration materials (PM2.5). The performance requirements of the filter paper were met thought the NaOH-Urea-Thiourea treatment, a novel method for preparing sisal fibers with highly swollen, loosening, fibrillation and protecting fiber from over cutting in this research. Based on preliminary exploration experiments, the agent concentration, treatment time, treatment temperature and the treatment time of ultrasonic were chosen as key factors of the treatment. Moreover, orthogonal experiment was designed to investigate the effects of these factors on the treatment result. Simultaneously, comparing the morphology of fiber and the main parameters of the filter paper (permeability, bulk, pore size, and zero-span tensile strength) with that of the untreated filter and the filter paper prepared with untreated filters and refer to the performance of masks (PM2.5) of 3M Company to evaluate the effect of modification. These results demonstrated that the filter paper exceeded the expectant performance requirement of masks (PM2.5) filter material by using the sisal fibers treated with 24% NaOH-Urea-Thiourea aqueous solution at -6℃ for 20 min and ultrasonic process for 60 min. The permeability of the filter paper was 313.12 L/(m2·s), average pore size was 32.43 μm, maximum pore size was 36.95 μm, bulk was 5.26 cm3/g.

sisal fibers; modification; PM2.5; masks; filter paper

2016- 07- 27(修改稿)

黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目 (201510225106)；東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(201510225106)；黑龍江省留學(xué)歸國(guó)人員科學(xué)基金(LC2013C11)。

胡瀟雨女士，在讀本科生；主要從事加工紙與特種紙方面的研究。

TS761

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.02.007

*通信作者：劉文波，教授；主要從事加工紙、特種紙及其化學(xué)品研究和教學(xué)工作。