陳志軍，熊 祎，龐蓉蓉，羅 鑫

(1.武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.武漢紡織大學(xué) 技術(shù)研究院，湖北 武漢 430200；3.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

醋酸丁酸纖維素(CAB)是一種纖維素酯，具有良好的耐水、耐候、耐寒性和阻燃性，常應(yīng)用于高透明度高分子膜、涂料和皮革光亮劑等領(lǐng)域[1-2]。熔噴非織造材料的纖維直徑為幾微米至幾十微米，纖維各向同性，呈三維連續(xù)微孔結(jié)構(gòu)，材料比表面積大、孔隙率高、孔徑分布均勻，生產(chǎn)過程中結(jié)構(gòu)容易控制，能夠?qū)諝庵械姆蹓m和細(xì)菌有效攔截，在醫(yī)用口罩、防霾口罩、防護(hù)服、除塵濾袋、空調(diào)過濾器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3-4]。靜電紡絲通常簡稱為靜電紡或電紡，其原理是聚合物溶液或熔體在高壓電場作用下，液體或熔體受電場力作用，克服表面張力，液滴或熔體表面形成泰勒錐，進(jìn)一步形成射流，在電場力作用下射流向接收裝置運(yùn)動，運(yùn)動過程中溶劑揮發(fā)，聚合物沉積在接收裝置上得到納米纖維膜[5-7]。靜電紡纖維直徑一般在幾十至幾百納米，從20世紀(jì)90年代至今一直是新材料領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[8-11]。但靜電紡纖維膜的強(qiáng)度低，難以單獨(dú)用于過濾材料，通常以紡黏法、熔噴法、水刺法、熱風(fēng)法生產(chǎn)的非織造布為基布，與靜電紡納米纖維網(wǎng)復(fù)合，做成梯度結(jié)構(gòu)濾材，用于空氣過濾等領(lǐng)域[12-15]。

目前CAB靜電紡纖維膜用于過濾和制備熔噴非織造布鮮有報(bào)道。范靜靜等[16]將醋酸纖維素納米纖維沉積在黏膠水刺非織造布表面，然后在表層覆蓋丙綸紡黏非織造布制成梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合濾材，作為防護(hù)口罩濾料使用。倪冰選等[17]以聚丙烯紡黏布為支撐層，聚丙烯熔噴層為中間濾層，靜電紡聚乳酸納米纖維布為表面濾層，制備密度梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合濾料。作者在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，采用熔噴法制備CAB非織造布，并以此作為CAB靜電紡的接收基布，將靜電紡CAB納米纖維沉積在熔噴CAB非織造布表面，制得靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜；采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察靜電紡CAB纖維的表面形貌，并對復(fù)合膜的孔徑、過濾效率和透氣性進(jìn)行測試，為靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜在過濾方面的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與試劑

CAB：牌號CAB-551-0.01，美國伊士曼化工有限公司產(chǎn)；乙酸、丙酮：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)。

1.2 儀器設(shè)備

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：上?？茽杻x器設(shè)備有限公司制；F-6D型熔噴非織造布設(shè)備：煙臺華大科技有限公司制；WL-11D1S型熱軋機(jī)：太倉市雙鳳非織造設(shè)備有限公司制；YG461E-III型全自動透氣量儀：寧波紡織儀器廠制；JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡：日本電子株式會社制；CFP-1500-AEXL型孔徑分析儀：美國PMI公司制；LZC-H型濾料綜合性能測試臺：蘇州華達(dá)儀器設(shè)備有限公司制；靜電紡絲裝置：自制。

1.3 CAB靜電紡絲工藝的確定

以丙酮與乙酸為溶劑，其中丙酮與乙酸體積比為6:4，在磁力攪拌器上將CAB常溫溶解，待溶解完全后進(jìn)行靜電紡絲，紡絲針頭為20號針頭，用離型紙收集纖維膜。

CAB靜電紡絲的主要影響因素為紡絲溶液CAB濃度、紡絲電壓、喂液速率和接收距離，采用單因子變量法設(shè)計(jì)CAB靜電紡絲實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表1。通過纖維直徑大小及其變異系數(shù)分析，確定CAB靜電紡絲最佳工藝參數(shù)。

表1 CAB靜電紡絲實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.1 Experimental design of CAB electrospinning

1.4 熔噴CAB非織造布的制備

采用F-6D型熔噴非織造布設(shè)備制備CAB非織造布，熔體溫度為240 ℃，計(jì)量泵泵供量為3.5 g/min，熱風(fēng)溫度為260 ℃，網(wǎng)帶速度為4.6 m/min，接收距離為40 cm，制得克重為20 g/m2的熔噴CAB非織造布。

再將熔噴CAB非織造布采用WL-11D1S型三輥熱軋機(jī)熱軋，熱軋溫度為75 ℃，熱軋輥間距為0.2 mm，熱軋輥轉(zhuǎn)速為6 r/min。熱軋使熔噴非織造布表面平整、光滑，減少后續(xù)對CAB靜電紡絲電場的影響。熱軋后熔噴CAB非織造布厚度為0.16 mm。

1.5 靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的制備

以熱軋后的熔噴CAB非織造布為接收基材，在最佳靜電紡絲工藝參數(shù)下進(jìn)行CAB靜電紡絲，靜電紡CAB纖維沉積在CAB熔噴非織造布上，制得靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜，復(fù)合膜厚度為0.27 mm。

1.6 分析與測試

纖維直徑及其分布：采用JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡觀察靜電紡CAB纖維的表面形貌，放大倍數(shù)為2 000，并用Image-Pro軟件測試?yán)w維直徑，計(jì)算直徑分布。

孔徑及其分布：根據(jù)ASTM F316—2003《通過起泡點(diǎn)和平均流動孔試驗(yàn)描述膜過濾器的孔大小特征的試驗(yàn)方法》，采用CFP-1500-AEXL型孔徑分析儀測試靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的孔徑及其分布。將復(fù)合膜用Porewick測試液體浸潤，置于試樣室密封，選擇“Dry-up/wetup”模式進(jìn)行測量。測試指標(biāo)包括最大孔徑、最小孔徑、平均孔徑和孔徑分布。

過濾效率：根據(jù)GB 2626—2006 《呼吸防護(hù)用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》，采用LZC-H型濾料綜合性能測試臺，以多分散實(shí)驗(yàn)氣溶膠氯化鈉(NaCl)進(jìn)行定量發(fā)塵，在潔凈氣流作用下(負(fù)壓式)，氣流量為85 L/min，通過被試濾材上下游的氣溶膠粒子采樣和壓差測點(diǎn)測試靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的過濾效率。

透氣率：根據(jù)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，采用YG461E-Ⅱ型全自動透氣性測試儀對靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的透氣率進(jìn)行測試，測試壓差設(shè)定為100 Pa，測試面積為20 cm2。壓力傳感器數(shù)字反饋調(diào)節(jié)吸風(fēng)量，自動跟蹤測定并顯示試樣的壓差值，圓盤式紅外線發(fā)射器對圓盤透氣孔板上的不同直徑噴嘴(φ6、φ8、φ10型)進(jìn)行識別，控制系統(tǒng)軟件通過孔板旋轉(zhuǎn)裝置來更換噴嘴，自由換算透氣率。

2 結(jié)果與討論

2.1 CAB靜電紡絲工藝

通過單因子實(shí)驗(yàn)制得的靜電紡CAB纖維的SEM照片見圖1，纖維直徑分布見圖2。從圖1和圖2可以看出：1#試樣有明顯串珠，2#至9#試樣正常，7#試樣纖維直徑分布比較集中，纖維均勻，纖維直徑主要在300～400 nm。

圖1 靜電紡CAB纖維的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of electrospun CAB fiber

圖2 靜電紡CAB纖維的直徑分布Fig.2 Diameter distribution of electrospun CAB fiber

從表2可以看出，7#試樣纖維平均直徑為359 nm，直徑變異系數(shù)為16.06%，平均直徑和直徑變異系數(shù)均為最小。

表2 靜電紡CAB纖維的平均直徑及其變異系數(shù)Tab.2 Average diameter and coefficient of variation of electrospun CAB fiber

綜合圖1和表2分析，選用7#試樣的工藝參數(shù)作為最佳靜電紡絲工藝參數(shù)，即紡絲溶液CAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、電壓為18 kV、喂液速率為0.2 mL/h、接收距離為21 cm。

2.2 孔徑及其分布

熔噴CAB非織造布和靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的孔徑及其分布分別見表3、圖3和圖4。

表3 試樣的孔徑測試結(jié)果Tab.3 Pore diameter test results of samples

圖3 熔噴CAB非織造布的孔徑分布Fig.3 Pore diameter distribution of melt-blown CAB nonwoven

圖4 靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的孔徑分布Fig.4 Pore diameter distribution of electrospun/melt-blown CAB composite membrane

從表3可以看出，靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜與熔噴CAB非織造布相比，其最大孔徑、最小孔徑和平均孔徑均大幅度減小。這是因?yàn)殪o電紡CAB纖維比熔噴CAB非織造布的纖維細(xì)，分布均勻，噴覆在熔噴CAB非織造布上，使得靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的最大孔徑、最小孔徑和平均孔徑相應(yīng)減小。

由圖3和圖4可以看出，熔噴CAB非織造布的孔徑主要分布在10 μm左右，而靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的孔徑分布在1.7～2.2 μm，分布區(qū)間相對較窄，這是因?yàn)殪o電紡CAB納米纖維在熔噴CAB非織造布表面形成了一層纖維細(xì)度細(xì)、孔徑小、孔徑分布窄的納米纖維氈。靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的孔徑小且分布窄，在用于過濾時(shí)可以攔截尺寸更小的粒子，提高過濾效率[14,16]。

2.3 過濾性能

從表4可以看出，熔噴CAB非織造布對NaCl氣溶膠粒子的過濾效率遠(yuǎn)低于靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜，熔噴CAB非織造布對粒徑為0.3，0.5，1.0 μm的NaCl氣溶膠粒子的過濾效率分別為29.553%，39.670%，51.393%，而靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜對粒徑為0.3，0.5，1.0 μm的NaCl氣溶膠粒子的過濾效率分別為89.109%，95.429%，96.433%。這是因?yàn)槿蹏奀AB非織造布主要依靠直接攔截、布朗擴(kuò)散、慣性碰撞和重力沉積等機(jī)械阻擋作用形成對粒子的過濾；而在熔噴CAB非織造布上覆上納米級纖維膜，納米纖維細(xì)度小，表面能和活性增大，有很強(qiáng)的阻隔性，整個(gè)CAB復(fù)合膜孔徑減小，同時(shí)在靜電紡絲過程中納米纖維帶上電荷，靜電吸附力增強(qiáng)，從而使得靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的過濾效率相應(yīng)提高[8,11,17]。

表4 試樣的過濾效率Tab.4 Filtration efficiency of samples

2.4 透氣性

從表5可以看出，在分別使用φ6、φ8、φ10型噴嘴時(shí)，熔噴CAB非織造布的透氣率分別為1 012，1 856，2 143 mm/s，靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的透氣率分別為600，735，1 271 mm/s。靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜相比于熔噴CAB非織造布來說，氣體通過阻力加大，透氣率下降。這是因?yàn)槔w維的直徑對纖維膜的透氣性影響較大，納米纖維緊密排列，纖維間孔隙減小，對空氣的阻力大，透氣性差[13,17]。

表5 使用不同噴嘴時(shí)試樣的透氣率Tab.5 Air permeability of samples using different spinning nozzles

3 結(jié)論

a.CAB靜電紡絲最佳工藝參數(shù)為：紡絲溶液CAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，紡絲電壓18 kV，喂液速率0.2 mL/h，接收距離21 cm。

b.靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的孔徑分布在1.7～2.2 μm，熔噴CAB非織造布的孔徑主要分布在10 μm左右，熔噴CAB非織造布上覆上靜電紡CAB納米纖維后，最大孔徑、最小孔徑和平均孔徑均減小，孔徑分布區(qū)間相對較窄。

c.熔噴CAB非織造布對1.0 μm的NaCl氣溶膠粒子的過濾效率為51.393%，φ8噴嘴透氣率為1 856 mm/s；靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜對1.0 μm的NaCl氣溶膠粒子的過濾效率達(dá)到96.433%，φ8噴嘴透氣率為735 mm/s。相比于熔噴CAB非織造布，靜電紡/熔噴CAB復(fù)合膜的過濾效率提高，透氣率下降。