靜電紡plapp梯度復(fù)合濾料的制備及過(guò)濾性能研究

非織造材料具有三維、三維、線性曲線孔結(jié)構(gòu)、高產(chǎn)量、低成本、短生產(chǎn)工藝等特點(diǎn)。靜電紡納米纖維氈具有纖維直徑小、吸附能力強(qiáng)、比表面積大、孔隙率高和孔徑小等特點(diǎn)，對(duì)微納米顆粒的捕獲能力較強(qiáng)，在空氣過(guò)濾領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景本研究將聚丙烯（PP）熔噴紡粘非織造材料作為基布，利用溶液靜電紡絲技術(shù)，以環(huán)境友好型聚乳酸（PLA）樹(shù)脂為原料，利用滾筒式接收屏，橫向移動(dòng)注射泵，在PP非織造材料上直接進(jìn)行靜電紡絲接收，并通過(guò)改變紡絲電壓和紡絲時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)靜電紡納米纖維氈的層數(shù)和纖維直徑，制備出梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合濾料，并對(duì)復(fù)合濾料的外觀形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)和過(guò)濾性能進(jìn)行測(cè)試研究。1實(shí)驗(yàn)1.1材料和設(shè)備材料：PLA顆粒，相對(duì)分子質(zhì)量為1.5×10設(shè)備：84-1A型恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司生產(chǎn)；自制靜電紡絲設(shè)備。1.2靜電紡粘法稱取適量的PLA顆粒加入到質(zhì)量比為9∶1的三氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液中，室溫下用磁力攪拌機(jī)攪拌2h至完全溶解，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的紡絲液。在自制靜電紡絲設(shè)備的滾筒接收裝置上，將PP熔噴紡粘非織造布均勻包裹在滾筒接收屏外，非織造布與接收屏之間用雙面膠固定。調(diào)整紡絲裝置高度，使噴絲頭與接收裝置處于同一水平線。設(shè)定紡絲流量為2.4mL/h，接收距離為160mm，納米纖維氈1層、2層和3層的紡絲電壓分別為15kV、20kV和25kV，通過(guò)調(diào)節(jié)紡絲電壓和紡絲時(shí)間得到不同厚度、纖維細(xì)度和纖維氈層數(shù)的梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合濾料。制備樣品的工藝參數(shù)如表1所示。1.3由復(fù)合過(guò)濾材料的形狀結(jié)構(gòu)和性能測(cè)試1.3.1pla納米纖維復(fù)合面形態(tài)分析利用S-4800掃描電子顯微鏡觀察噴金處理后的PLA納米纖維氈外觀形態(tài)，通過(guò)ImageJ圖像分析軟件計(jì)算纖維的直徑，每個(gè)試樣測(cè)試?yán)w維50根，并統(tǒng)計(jì)其分布情況。1.3.2抗彎劑的厚度測(cè)試?yán)肶G141D型數(shù)字式纖維厚度儀測(cè)量復(fù)合濾料的厚度，在每個(gè)試樣的不同位置測(cè)量5次，求取厚度平均值。1.3.3復(fù)合濾料過(guò)濾效率利用LZC-H型濾料綜合性能測(cè)試臺(tái)，參照GB19083-2010《醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)要求》測(cè)試復(fù)合濾料在不同直徑顆粒下的過(guò)濾效率。實(shí)驗(yàn)中以PP非織造材料為迎塵面，所用氣溶膠為DEHS。采用計(jì)數(shù)法對(duì)上下游顆粒數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)公式（1）計(jì)算過(guò)濾效率，即：式中：η為過(guò)濾效率；n1.3.4孔徑分布測(cè)試將直徑為25mm的圓形試樣放在蒸餾水中完全浸潤(rùn)，然后放置在CFP-1100A型毛細(xì)管流動(dòng)孔徑測(cè)試儀的試樣臺(tái)上并擰緊上部旋蓋進(jìn)行孔徑測(cè)試。測(cè)試一定壓力作用下干、濕樣在氣體通過(guò)時(shí)毛細(xì)血管的流量變化，計(jì)算試樣孔徑的相關(guān)參數(shù)。2結(jié)果與分析2.1pla基納米纖維形態(tài)選擇固定紡絲液濃度6%，接受距離16cm，溶液流速2.4mL/h，分別在15kV、20kV和25kV的紡絲電壓下進(jìn)行靜電紡絲。不同紡絲電壓下制備的納米纖維形態(tài)及纖維平均直徑如圖1所示。由圖1可知，隨著紡絲電壓的提高，PLA納米纖維的直徑呈減小趨勢(shì)，15kV、20kV和25kV3種電壓下纖維直徑分別為810nm、780nm和740nm。這是由于當(dāng)靜電紡絲施加電壓增加時(shí)，噴絲頭與接收裝置間的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，射流單位面積上的電荷分布數(shù)增加，紡絲液所受到的靜電斥力增加，較大的拉伸力和拉伸應(yīng)力作用在PLA紡絲液射流上，使纖維直徑變小2.2復(fù)合濾料厚度以PP紡粘熔噴非織造材料為基布，通過(guò)調(diào)節(jié)紡絲電壓和時(shí)間制備的多梯度靜電紡復(fù)合濾料的厚度如表2所示。從樣品1#、2#、5#和8#可觀察到，在同一紡絲電壓（15kV）下，隨著紡絲時(shí)間的增加，復(fù)合濾料的厚度增加。從2#、3#、4#和5#,6#、7#和8#,9#和10#3組可知，當(dāng)每層納米纖維氈的紡絲時(shí)間固定時(shí)，復(fù)合濾料的厚度隨著納米纖維氈層數(shù)的增加而增加。同時(shí)從2#、5#、8#和3#,6#、9#和4#,7#和10#3組材料還可知，當(dāng)復(fù)合濾料的納米纖維氈層數(shù)一定時(shí)，隨著每層紡絲時(shí)間的增加，復(fù)合濾料的厚度也增加。2.3復(fù)合濾料過(guò)濾性能圖2為納米纖維氈紡絲時(shí)間對(duì)復(fù)合濾料過(guò)濾效率的影響示意圖，表3為PLA梯度結(jié)構(gòu)復(fù)合濾料的過(guò)濾性能參數(shù)。由圖2和表3可知，經(jīng)過(guò)納米纖維氈復(fù)合制備的梯度過(guò)濾材料對(duì)小直徑顆粒（0.30μm和0.5μm）的過(guò)濾效率有顯著的提升。當(dāng)納米纖維纖維氈層數(shù)為3層，每層紡絲時(shí)間為1.5h時(shí)，復(fù)合濾料對(duì)0.3μm和0.5μm顆粒的過(guò)濾效率分別可達(dá)97.291%和98.862%,與PP紡粘熔噴非織造基布相比，過(guò)濾效率分別提升了10.8%和6.2%。在每層靜電紡納米纖維氈的紡絲時(shí)間相同的情況下，隨著纖維氈層數(shù)的增加，過(guò)濾效率呈增大趨勢(shì)，尤其是對(duì)直徑為0.3μm和0.5μm的顆粒的過(guò)濾效率有顯著提升，但同時(shí)過(guò)濾阻力增大。這是由于納米纖維氈厚度的增加使得納米纖維在徑向上的數(shù)量增加，從而使得纖維小直徑顆粒物被纖維碰撞和吸附的概率增加，從而提高了過(guò)濾效率。但從5#、6#、7#(1h）和8#、9#和10#(1.5h)2組材料可以觀察到，當(dāng)每層的紡絲時(shí)間固定，納米纖維氈的層數(shù)從2層增加到3層時(shí)，復(fù)合濾料過(guò)濾性能的提升幅度有限，但過(guò)濾阻力卻有明顯的提升。這可能是由于盡管第3層的紡絲電壓為25kV，紡絲得到的納米纖維直徑更小，但前2層納米纖維氈的層疊已經(jīng)使復(fù)合濾料的孔徑減小到較低的程度，它們與具有更小纖維直徑和孔徑的第3層纖維氈復(fù)合時(shí)，濾料孔徑的減小對(duì)過(guò)濾效率的影響不再顯著。由表3和圖2(a）可知，當(dāng)紡絲電壓（15kV）和納米纖維氈層數(shù)（1層）固定時(shí)，隨著紡絲時(shí)間的增加，復(fù)合濾料對(duì)小直徑顆粒的過(guò)濾性能呈增大趨勢(shì)，復(fù)合濾料的過(guò)濾阻力也隨之增大。2#樣品與原樣的過(guò)濾性能相差不大，這是由于紡絲電壓較低和紡絲時(shí)間較短時(shí)，納米纖維氈的纖維直徑較粗和孔隙較大，而靜電紡納米纖維氈未能完全覆蓋PP基布中較大的孔隙，從而對(duì)小直徑顆粒的過(guò)濾性能提升并不明顯。從圖2(b）和圖2(c）也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米纖維氈層數(shù)固定時(shí)，隨著每層紡絲時(shí)間的延長(zhǎng)，梯度復(fù)合濾料對(duì)小直徑顆粒過(guò)濾效率的增大影響也較明顯。這是由于隨著紡絲時(shí)間的增加，每層納米纖維氈的厚度增加，孔徑減小，從而過(guò)濾效率提高。但從圖2(b）、圖2(c）和表3也可以觀察到，當(dāng)納米纖維氈的層數(shù)固定，每層的紡絲時(shí)間從1h增加到1.5h時(shí)，復(fù)合濾料過(guò)濾性能的提升幅度有限，而過(guò)濾阻力卻有較大提升；當(dāng)納米纖維纖維氈層數(shù)為3層，每層紡絲時(shí)間為1.5h時(shí)，過(guò)濾阻力可達(dá)到39Pa。2.4納米纖維復(fù)合濾料的孔徑表4為不同結(jié)構(gòu)PLA復(fù)合濾料的孔徑分布情況。由表4可以看出，PP紡粘熔噴非織造基布與PLA納米纖維氈復(fù)合后，濾料的平均孔徑呈減小趨勢(shì)。同時(shí)可以觀察到復(fù)合濾料的平均孔徑減小幅度較小，這是由于PP紡粘熔噴非織造材料中PP熔噴層的纖維直徑較小并已經(jīng)具有較小的孔徑，當(dāng)納米纖維氈復(fù)合后，復(fù)合濾料的孔徑可減小的程度有限。由2#、5#、8#和3#,6#、9#和4#,7#和10#這3組材料可以觀察到，當(dāng)梯度復(fù)合濾料的納米纖維氈層數(shù)固定時(shí)，隨著每層紡絲時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合濾料的平均孔徑逐漸減小。同時(shí)從2#、3#、4#和5#,6#、7#和8#,9#和10#這3組材料可以看出，當(dāng)每層納米纖維氈的紡絲時(shí)間固定時(shí)，隨著納米纖維氈層數(shù)的增加，復(fù)合濾料的平均孔徑呈減小趨勢(shì)；但當(dāng)納米纖維氈的層數(shù)為1層和2層時(shí)，復(fù)合濾料平均孔徑的減小幅度很小；當(dāng)納米纖維氈的層數(shù)增加到3層時(shí)，復(fù)合濾料的平均孔徑才呈現(xiàn)較大幅度的減小。這表明納米纖維的加入對(duì)降低濾料的孔徑存在一個(gè)臨界值，只有在一定范圍內(nèi)才能明顯地降低平均孔徑。從表4還可觀察到，納米纖維氈與PP非織造基布的復(fù)合可顯著降低復(fù)合濾料的最大孔徑。3納米纖維氈復(fù)合濾材過(guò)濾性能(1)PLA納米纖維氈與PP紡粘熔噴非織造基布復(fù)合制備的梯度過(guò)濾材料可顯著提高對(duì)0.3μm和0.5μm直徑顆粒的過(guò)濾效率。(2）當(dāng)納米纖維氈層數(shù)固定時(shí)，隨著紡絲時(shí)間的增加，梯度過(guò)濾材料的厚度增大，對(duì)0.3μm和0.5μm顆粒的過(guò)濾效率有較大的提升，但過(guò)濾阻力隨之增加；當(dāng)每層納米纖維氈紡絲時(shí)間固定時(shí)，隨著納米纖維氈層數(shù)的增加，梯度過(guò)濾材料的厚度增大，對(duì)0.3μm和0.5μm顆粒的過(guò)濾效率也有較大的提升，但過(guò)濾阻力也隨之增加；當(dāng)納米