賈 琳， 王西賢， 李環(huán)宇， 張海霞， 覃小紅,2

(1. 河南工程學(xué)院 紡織工程學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

近年來，工業(yè)化、城市化進程的快速推進加劇了環(huán)境污染，研究發(fā)現(xiàn)空氣污染物會降低人的免疫能力，增加罹患各種慢性疾病的風(fēng)險[1]，特別是細微顆粒(如PM2.5)，具有更大的比表面積，在空氣中的停留時間更長，且易吸附有害污染物，加速有害微生物的傳播，對人類健康的危害更大[2]。2020年爆發(fā)的新型冠狀病毒讓更多的人們開始注重個人防護，利用口罩、防護服等個人防護用品可切斷有害顆?；虿≡膫鞑ィ瑴p小疾病感染的風(fēng)險。

納米纖維具有納米級的纖維直徑、較大的比表面積、高孔隙率、質(zhì)量輕、連通性好等優(yōu)點，能夠高效攔截呼吸道飛沫、PM2.5、病毒、油性顆粒等病原體傳播，在空氣過濾方面有較大的應(yīng)用潛力。但納米纖維過濾膜較小的直徑和較大的堆積密度使其阻力壓降較大，不僅堵塞了納米纖維過濾膜的過濾孔隙，縮短使用時間，還需要消耗更多的能量，在一定程度上限制了納米纖維過濾膜的應(yīng)用[4]。靜電紡聚丙烯腈(PAN)納米纖維不僅具有納米級的纖維直徑，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和耐候性，還具有較大的偶極矩，對空氣中懸浮的微小顆粒物有較強的吸附力，可在一定程度上減小阻力壓降[3]。

駐極納米纖維材料不僅可通過機械攔截作用過濾微細顆粒物，還可通過靜電吸附捕獲空氣中的帶電或中性微粒，在不增加空氣阻力的同時提升過濾效率。在靜電紡絲過程中，聚合物溶液通過強電場誘導(dǎo)發(fā)射產(chǎn)生載流子。由于聚合物具有良好的疏水性和較高的電阻，使得溶液表面電荷衰減較慢，導(dǎo)致部分電荷被困在固化的納米纖維中，形成深陷阱空間電荷。將駐極體加入聚合物紡絲液中，可在靜電紡絲過程中直接將電荷注入到復(fù)合纖維內(nèi)部，有效降低駐極體對周圍環(huán)境的敏感性，使空間電荷的儲存更穩(wěn)定。Li等[5]將鈦酸鋇(BaTiO3)等駐極體材料加入聚醚酰亞胺(PEI)紡絲液中，制備了PEI/BaTiO3復(fù)合駐極納米纖維過濾膜，研究發(fā)現(xiàn)其電荷衰減較慢，過濾性能較優(yōu)。BaTiO3是一種優(yōu)異的鐵電無機駐極體，具有低介電損耗和極高的介電常數(shù)(1 250～10 000)[6]，還具有獨特的準(zhǔn)靜態(tài)電場和長期的電荷存儲能力[7]，會自發(fā)性極化，具有優(yōu)異的駐極性能。Wang等[7]利用靜電紡絲技術(shù)制備了聚醚砜(PES)/BaTiO3駐極納米纖維過濾膜，當(dāng)纖維膜的面密度為4.32 g/m2時，PES/BaTiO3納米纖維過濾膜的過濾效率為99.99%，阻力壓降為67 Pa。Yang等[6]利用混合紡絲方法制備了芳砜綸/聚氨酯/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜，其過濾效率為99.99%，阻力壓降為39.4 Pa?；谝陨戏治觯疚倪x取BaTiO3納米顆粒作為無機駐極體，利用靜電紡絲方法制備了PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜，并對其潤濕性、透氣性和過濾性能等進行研究分析。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與儀器

材料：聚丙烯腈(PAN，重均分子量為85 000，上海金山石油化工有限公司)；BaTiO3納米顆粒 (粒徑為30 nm，純度為99.99%，上海麥克林生化科技有限公司)；N,N-二甲基甲酰胺(DMF，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)；聚丙烯(PP)非織造布(面密度為20 g/m2，市售)。

儀器：SIGMA 500型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國ZEISS公司)；Nicolet 6700型傅里葉紅外光譜分析儀(美國Thermo Fisher公司)；XQ-1型電子單纖維強力測試儀(上海新纖儀器公司)；JC2000C1型水接觸角測試儀(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司)；YG461Z型全自動透氣性能測試儀(溫州百恩儀器有限公司)；YG601 H-Ⅱ型電腦式織物透濕儀(寧波紡織儀器廠)；TSI8130型自動濾料檢測儀(美國TSI集團)；FMX-004型靜電測試儀(日本SIMCO公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 復(fù)合納米纖維過濾膜的制備

將一定量的BaTiO3納米顆粒加入至DMF溶劑中，超聲波處理30 min后再加入一定質(zhì)量的PAN粉末，放置在磁力攪拌器上在室溫下攪拌24 h，配制成PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%的PNA和PAN/BaTiO3混合溶液。由于BaTiO3不能溶解在DMF有機溶劑中，PAN/BaTiO3混合溶液呈現(xiàn)渾濁的白色懸浮液狀態(tài)。

利用往復(fù)式靜電紡絲設(shè)備制備純PAN和PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜。為增加納米纖維過濾膜的力學(xué)性能，將PP非織造布(其阻力壓降為1 Pa， 過濾效率為0.43%，過濾性能可忽略不計)包覆在旋轉(zhuǎn)滾筒表面收集納米纖維，滾筒轉(zhuǎn)速為100 r/min。 分別利用配制的PAN和PAN/BaTiO3紡絲液進行靜電紡絲，接收距離為18 cm，溶液流速為1 mL/h， 高壓靜電為15 kV，通過改變紡絲時間(10、20、30 min)制備不同厚度的PAN和PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜。

1.2.2 微觀形態(tài)觀察

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察納米纖維過濾膜的外觀形貌，然后利用X射線能譜分析儀(EDS)對纖維過濾膜中的元素分布進行掃描，分析BaTiO3納米顆粒在纖維膜中的分布狀態(tài)。最后根據(jù)SEM照片，利用Image J軟件測試?yán)w維的直徑。

為測試納米纖維過濾膜的循環(huán)使用性能，將過濾使用后的PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜(BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%)浸泡在蒸餾水中1 min， 然后放置在真空烘箱中烘干后，再利用掃描電子顯微鏡觀察纖維膜的微觀形態(tài)。

1.2.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)測試

將純PAN和PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維從非織造布表面剝離下來，分別放在傅里葉紅外光譜分析儀上測試其表面化學(xué)基團。掃描波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為2 cm-1。

1.2.4 親水性測試

將納米纖維過濾膜放置在測試臺上，利用水接觸角測試儀測試納米纖維過濾膜的初始水接觸角。為進一步測試?yán)w維過濾膜的潤濕性能，在同一位置每隔10 s記錄1次水接觸角，共測試50 s，觀察其變化趨勢。

1.2.5 拉伸力學(xué)性能測試

將納米纖維過濾膜從非織造布表面剝離下來，制備成5 mm×20 mm的長方形試樣，并夾持在單纖維強力測試儀的上、下夾持器之間，測試納米纖維膜的拉伸力學(xué)性能。夾持距離為20 mm，拉伸速度為20 mm/min。

1.2.6 透氣性測試

將納米纖維過濾膜夾持放置在透氣儀測試口，試驗面積設(shè)置為20 cm2，采用100 Pa壓降測試純PAN和PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的透氣性。

1.2.7 透濕性測試

利用透濕杯法測試納米纖維過濾膜的透濕性。將樣品裁剪成直徑為70 mm的圓形，測試面朝上放置在透濕杯上，裝上墊圈和壓環(huán)，旋上螺帽組成試驗組合體。然后迅速將其放置在試驗箱(溫度為38 ℃、 相對濕度為90%、氣流速度為0.3～0.5 m/s)內(nèi)，1 h后稱取試驗組合體的質(zhì)量m1(g)；然后再放入試驗箱內(nèi)1 h，再次稱取試驗組合體的質(zhì)量m2(g)，利用下式計算納米纖維過濾膜的透濕率。每種試樣測試3次，計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

式中：PWVT為透濕率，g/(m2·d)；t為試驗時間，h；S為試樣試驗面積，m2。

1.2.8 表面電壓測試

為分析納米纖維過濾膜駐極的穩(wěn)定性及持久性，利用靜電測試儀測試剛紡制的納米纖維過濾膜的表面電壓，每隔30 min測試1次，共測試5 h。

1.2.9 過濾性能測試

將納米纖維過濾膜覆蓋在測試儀上，試驗流量值設(shè)置為32 L/min，利用0.3 μm的氯化鈉顆粒做載體，通過一定的吸氣氣流將氯化鈉顆粒吸引于過濾膜之上，通過監(jiān)測過濾膜兩面的顆粒濃度和壓力變化，快速測試其過濾效率和阻力壓降，并根據(jù)下式計算納米纖維過濾膜的品質(zhì)因子(FQ)。

式中：η為過濾效率，%；ΔP為阻力壓降，Pa。

為進一步驗證靜電吸附作用在PAN/BaTiO3納米纖維過濾膜過濾中的作用，本文將純PAN和PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜浸泡在異丙醇中1 min，消除過濾膜中的靜電電荷[11]，再測試納米纖維濾膜的過濾性能(機械過濾效率和機械阻力壓降)，并利用下式計算靜電吸附作用在纖維膜過濾效果中的百分率

式中：η0為總過濾效率；η1為機械過濾效率。

為研究使用環(huán)境對PAN/BaTiO3納米纖維過濾膜過濾性能的影響，將不同的纖維過濾膜放置在相對濕度為90%，溫度為25 ℃的密閉環(huán)境中，每隔2 h測試?yán)w維濾膜的過濾效率，測試10 h。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米纖維過濾膜的微觀形態(tài)

純PAN和不同的PAN/BaTiO3納米纖維的SEM照片如圖1所示。

圖1 PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的SEM照片(×10 000)Fig.1 SEM images of PAN/BaTiO3 composite nanofibrous filter membranes(×10 000)

由圖1可知，純PAN納米纖維膜中纖維表面光滑無串珠，呈現(xiàn)雜亂無序的排列狀態(tài)。當(dāng)BaTiO3納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%和0.5%時，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜表面形態(tài)與純PAN類似，纖維表面光滑，無納米顆粒聚集，這是因為這2個樣品中BaTiO3含量比較少，BaTiO3顆粒都分布在纖維內(nèi)部。當(dāng)BaTiO3納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%和1.0%時，由于BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，所以納米纖維表面會偶有BaTiO3納米顆粒集聚。純PAN納米纖維的平均直徑為245 nm，BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.25%、0.5%、0.75%和1.0%的PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維的直徑分別為218、209、194、185 nm。BaTiO3的加入使PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維的直徑略有減小，這主要是因為BaTiO3的加入使溶液的導(dǎo)電率略有增加，因此，在靜電紡絲過程中受到的拉伸力增加。

為驗證BaTiO3納米顆粒在納米纖維膜中的分布狀態(tài)，利用X射線能譜分析儀(EDS)對纖維膜中O元素分布進行掃描分析，結(jié)果如圖2所示(圖中綠色的點表示BaTiO3中O元素的分布)?？芍?，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維膜中的O元素均勻分布在整個纖維膜中，且隨著BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，O元素的分布也更多。另外，結(jié)合納米纖維的SEM照片可知，BaTiO3均勻分布在納米纖維內(nèi)部。所以經(jīng)靜電紡絲后BaTiO3所攜帶的電荷被俘獲在納米纖維內(nèi)部，納米纖維過濾膜在使用過程中電荷不易消散，屬于深陷阱俘獲電荷[8]。

圖2 PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的O元素掃描分析圖Fig.2 O elemental mapping images of PAN/BaTiO3composite nanofibrous filter membranes

2.2 納米纖維過濾膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖3 PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of PAN/BaTiO3 compositenanofibrous filter membranes

2.3 納米纖維過濾膜的潤濕性分析

水接觸角與纖維膜的親水性、透濕性、自清潔能力和抗靜電性能密切相關(guān)。當(dāng)水接觸角大于90°時，纖維膜表面為不潤濕狀態(tài)，纖維膜的親水性、透濕性和抗靜電性能都較差，但其抗污染能力強，具有自清潔效果；當(dāng)水接觸角小于90°時，纖維膜表面為潤濕狀態(tài)，纖維膜的親水性、透濕性和抗靜電性能較好，但易受親水性污漬的污染，自清潔能力較差。本文測試了50 s內(nèi)純PAN和PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的水接觸角，結(jié)果如圖4所示。

圖4 PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的水接觸角Fig.4 Water contact angle of PAN/BaTiO3 compositenanofibrous filter membranes

由圖4可知：純PAN和PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的初始水接觸角都在110°～ 120°之間，都屬于疏水性纖維膜；測試50 s時純PAN纖維膜的表面水接觸角為103.1°，略有降低，但依然大于90°，這主要是因為PAN中沒有親水基團，纖維膜呈現(xiàn)疏水性。測試50 s時PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜表面的水接觸角變化較小，為106.8° ～ 115.1°，這主要是因為BaTiO3是疏水性的；另一方面，加入BaTiO3后PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維直徑較小，纖維膜更致密，水潤濕性更差，這有助于開發(fā)自清潔的納米纖維濾膜。

2.4 納米纖維過濾膜的拉伸力學(xué)性能分析

不同的PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的拉伸曲線如圖5所示?？芍?，由于纖維膜中納米纖維的無序隨機排列，其拉伸曲線都具有明顯的屈服點，在屈服點之前纖維膜中無序排列的纖維沿拉伸方向取向排列，此階段的拉伸變形屬于可回復(fù)的彈性變形。純PAN納米纖維膜的拉伸強度為4.9 MPa，斷裂伸長率為92%。相對于純PAN納米纖維膜，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的拉伸強度增加，而斷裂伸長率減小。

圖5 PAN/BaTiO3納米纖維過濾膜的拉伸曲線Fig.5 Stretch curves of PAN/BaTiO3 nanofibrous filter membranes

當(dāng)BaTiO3納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%和0.5%時，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的拉伸強度分別為7.9和8.6 MPa，比純PAN纖維膜的拉伸強度增加了61.2%和75.5%；當(dāng)BaTiO3納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%和1.0%時，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的拉伸強度為6.2和5.5 MPa，比純PAN纖維膜增加了26.5%和12.2%。這主要是因為BaTiO3的加入使PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維的直徑減小，在拉伸力作用下，更多的纖維共同受力使拉伸強度增加。此外，從圖1纖維膜的SEM照片可知，當(dāng)BaTiO3納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%和0.5%時，BaTiO3納米顆粒均勻地分散在纖維內(nèi)部，使纖維膜強度增加更大；而當(dāng)BaTiO3納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%和1.0%時，纖維表面有BaTiO3納米顆粒的集聚，使纖維膜更脆硬，斷裂伸長率減小。

2.5 納米纖維過濾膜的過濾性能分析

由于靜電紡絲時間會影響納米纖維過濾膜的厚度，進而影響其透氣性和過濾性，因此，本文制備了不同紡絲時間的純PAN和PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜，并測試其過濾效率和阻力壓降，結(jié)果如圖6所示?？芍?，隨著紡絲時間的增加，納米纖維膜的厚度增加，過濾效率和阻力壓降也隨之增加。當(dāng)紡絲時間為10 min時，納米纖維過濾膜較薄，過濾效率較低，為80.1%～92.6%，阻力壓降也較小，為20.6～30.7 Pa；當(dāng)紡絲時間為20 min 時，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的過濾效率增加較大，為88.9%～96.1%，阻力壓降為21.6～50.9 Pa；當(dāng)紡絲時間為30 min時，由于厚度較大，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的過濾效率為98.4% ～99.95%，此時阻力壓降也較大，為41.4～139.2 Pa。綜上，本文選擇紡絲時間為20 min， 制備的納米纖維過濾膜的面密度為0.75 g/m2左右，后續(xù)都以該厚度的纖維膜進行測試與分析。

圖6 不同紡絲時間下PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的過濾性能Fig.6 Filter property of PAN/BaTiO3 compositenanofibrous filter membranes with different electrospinning time

從圖6還可以看出，相對于純PAN納米纖維過濾膜，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的過濾效率明顯較高，且隨著BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，這主要是因為PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維中儲存的電荷更多，靜電吸附作用更強，過濾效率較高。但當(dāng)BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時，由于BaTiO3納米顆粒的集聚使纖維膜內(nèi)部電荷分布不均勻，因此，靜電吸附作用減弱，纖維膜的過濾效率略有降低。

2.6 納米纖維過濾膜透氣性和透濕性分析

純PAN和PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的透氣率和透濕率測試結(jié)果如圖7所示?？芍?，純PAN納米纖維膜的透氣率為154 mm/s，透濕率為2 903 g/(m2·d)。 相對于純PAN納米纖維膜，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的透氣率(167～180 mm/s) 和透濕率(2 946～ 4 101 g/(m2·d) ) 都呈現(xiàn)增加的趨勢。這可能是因為PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維直徑較小，纖維膜的比表面積較大，孔隙率較高。根據(jù)菲克擴散模型[7]，空氣分子和水汽分子的擴散通量與擴散系數(shù)成正比關(guān)系，而擴散系數(shù)與纖維膜的孔隙率成正比關(guān)系，因此，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的透氣率和透濕率都比純PAN納米纖維膜高，且隨著BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。

圖7 PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的透氣率和透濕率Fig.7 Air permeability and water vapor permeability of PAN/BaTiO3 composite nanofibrous filter membranes

2.7 納米纖維過濾膜的電壓衰減性能

為研究PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜駐極的穩(wěn)定性，測試了其表面電壓，結(jié)果如圖8所示?？芍捎陟o電紡絲過程中高壓靜電的作用，剛制備好的納米纖維過濾膜表面電壓較高，為6.1～ 11.6 kV， 放置30 min后其表面電壓幾乎下降到初始的50%。這是因為剛到達接收裝置凝固的納米纖維表面攜帶大量靜電荷，且會在與之接觸的纖維表面產(chǎn)生誘導(dǎo)電荷，因此，表面電壓較高；30 min 后纖維凝固成形，表面的電荷發(fā)生中和逃逸，因此，表面電壓急劇衰減；放置1 h后納米纖維過濾膜的表面電壓衰減比較緩慢，放置2 h后已趨于穩(wěn)定。另外，相對于純PAN纖維膜，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的初始電壓和穩(wěn)定電壓(穩(wěn)定電壓為2.6～3.2 kV)都較高，且隨著BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)增加趨勢。這主要是因為BaTiO3納米駐極體介電常數(shù)較高，電荷儲存能力較強，可存儲更多的深陷阱俘獲電荷。

圖8 PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的表面電壓隨放置時間的變化Fig.8 Surface potential of PAN/BaTiO3 composite nanofibrous filter membranes with different standing time

2.8 納米纖維過濾膜的過濾性能分析

2.8.1 納米纖維濾膜的機械過濾性能分析

纖維類過濾材料主要通過慣性撞擊、機械攔截、布朗擴散和靜電吸附等作用對細小顆粒物進行過濾，除靜電吸附，其他幾種都屬于機械過濾作用。為研究PAN/BaTiO3納米纖維過濾膜過濾過程中的靜電吸附作用和機械攔截作用，本文測試比較了納米纖維過濾膜的總過濾效率和機械過濾效率，結(jié)果如圖9所示?？芍?，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜初始的總過濾效率為90.1%～98.9%，總阻力壓降為30.4～43.1 Pa。 去除靜電作用后，納米纖維過濾膜的過濾效率和阻力壓降都減小了，純PAN和PAN/BaTiO3纖維過濾膜的過濾效率在65%左右，不同的纖維膜之間差別不大。這主要是因為纖維直徑、纖維膜的面密度都較一致，纖維膜對細小顆粒的慣性撞擊、機械攔截作用也都比較相近。

圖9 PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的機械過濾性能Fig.9 Mechanical filter property of PAN/BaTiO3composite nanofibrous filter membranes

通過計算可知：純PAN納米纖維過濾膜的α為21.7%；隨著BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.25%增加到1.0%，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維濾膜的α分別為26.4%、32.4%、36.2%、32.9%。由于BaTiO3納米顆粒的加入增加了纖維膜中存儲的電荷量，因此，隨著BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，靜電作用在纖維膜過濾效果中的百分率也呈現(xiàn)增加的趨勢。而當(dāng)BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，由于BaTiO3納米顆粒的集聚，纖維膜中的靜電吸附作用反而下降了。

為綜合評定不同的納米纖維膜的過濾性能，制備高效低阻的納米纖維過濾膜，本文根據(jù)納米纖維過濾膜的總過濾效率和總阻力壓降計算了納米纖維過濾膜的品質(zhì)因子。由計算可知：純PAN纖維膜的品質(zhì)因子為0.070 7；PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的品質(zhì)因子分別為0.076 1、0.080 5、0.105 6和0.082 9。由此可知，當(dāng)BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時，制備的PAN/BaTiO3納米纖維過濾膜的過濾效率最高，為98.9%，阻力壓降相對較小，為42.7 Pa，過濾性能最好。

2.8.2 環(huán)境濕度對過濾性能的影響

PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜在高濕度下放置10 h的過濾效率測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同放置時間下PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的過濾效率Fig.10 Filter efficiency of PAN/BaTiO3 composite nanofibrous filter membranes with different standing time

由圖10可知，由于純PAN納米纖維膜表面電壓較低，更易受環(huán)境濕度的影響，放置10 h后其過濾效率下降了7.8%；而當(dāng)BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%時，由于PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜內(nèi)部儲存的陷阱電荷較少，表面電壓較低，所以其初始過濾效率及10 h后的過濾效率都比其他3個PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維濾膜低。當(dāng)BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.75%和1.0%時，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜由于內(nèi)部存儲的電荷較多，表面電壓較高，放置10 h后過濾效率幾乎沒有下降，進一步說明了深陷阱俘獲電荷不易受到外界濕度的影響。

2.8.3 PAN/BaTiO3納米纖維過濾膜循環(huán)使用性能

蒸餾水浸泡前后PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的微觀形態(tài)如圖11所示?？芍赫麴s水浸泡前纖維表面有過濾吸收的氯化鈉顆粒(見圖11(a)中圓圈標(biāo)記處)；蒸餾水浸泡后，納米纖維表面的鹽被溶解了，纖維有輕微的溶脹，但依然保持著納米纖維狀態(tài)，說明PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜具有一定的抗污染能力，且可以循環(huán)重復(fù)使用。

圖11 蒸餾水浸泡前后PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的微觀形態(tài)(×5 000)Fig.11 Morphologies of PAN/BaTiO3 compositenanofibrous membrane before(a)and after(b)immersion in distilled water(×5 000)

3 結(jié) 論

本文制備了不同BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜，并對其微觀形貌、拉伸性能、透氣性、透濕性和過濾性能等進行測試分析，得到以下主要結(jié)論。

1)PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜中，BaTiO3納米顆粒分散均勻。相對于純PAN納米纖維膜，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜中纖維的直徑略有降低，水接觸角增加，拉伸強度增加。

2)PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的表面電壓為2.6～3.2 kV，透氣率和透濕率均比純PAN納米纖維膜高，且將其放置在高濕環(huán)境10 h后過濾效率幾乎沒有變化。

3)當(dāng)BaTiO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%時，紡絲時間為20 min時，PAN/BaTiO3復(fù)合納米纖維過濾膜的品質(zhì)因子最大為0.105 6，此時過濾效率為98.9%，阻力壓降為42.7 Pa，過濾性能最好，靜電作用在總過濾效果中的百分率最高。