电纺复合空气过滤材料的制备及性能研究

电纺复合空气过滤材料的制备及性能研究

近年来，中国雾雨气候频繁，城市空气中的pm。静电纺纳米纤维制成的过滤材料具有质量轻、比表面积大、孔隙率高、孔径极小等特点本文先制备不同聚丙烯腈（PAN）质量分数的纺丝液，在相同的纺丝电压条件下，通过静电纺丝法制成一层很薄的纳米纤维膜，然后将其直接沉积在熔喷、针刺和热轧非织造材料表面制成复合空气过滤材料。通过对复合材料的结构、纤维直径、孔径和过滤性能等进行表征，探讨接收材料类型、纺丝液中PAN质量分数和接收时间对复合材料过滤性能的影响，为制备高效低阻的空气过滤材料提供参考。1试验部分1.1化学试剂：越经贸有限公司PAN（相对分子质量为150000，上虞吴越经贸有限公司）；二甲基甲酰胺（DMF，国药集团化学试剂有限公司，分析纯）。采用熔喷、针刺和热轧3种非织造材料与静电纺纳米纤维进行复合。1.2pan纳米纤维的制备采用FM-1302型静电纺丝设备（北京富友马有限公司），该设备配置了旋转收集辊。将接收材料裁剪成尺寸为20cm×35cm的长方形，卷绕在收集辊上。在高压电场作用下，制成的PAN纳米纤维直接沉积在接收材料表面，通过收集辊的不断旋转，保证纳米纤维在接收材料表面均匀分布。接收距离为11cm，喷丝头横向移动速度为12cm/min，收集辊转速为300r/min，纺丝流量为7mL/h，统一使用内径为0.45mm针头，纺丝电压设定为18kV，温度为（25±2）℃，相对湿度为（60±5）%。通过改变纺丝液PAN质量分数（12%、14%和16%）和接收时间（15、30min），将静电纺纳米纤维分别与熔喷、针刺和热轧3种接收材料复合。1.3复合过滤材料纤维直径采用日本电子的JSM-IT300A型扫描电子显微镜（SEM），观察复合过滤材料的纤维表面形态，并用图像分析软件（Image-ProPlus6.0）测试纤维直径，每个试样测300根。1.4过滤性能测试测试设备：LZC-K1型滤料综合性能测试台（苏州华达仪器设备有限公司）。测试台采用多分散试验气溶胶（NaCl）进行定量控制发尘，在洁净气流作用下（负压式），通过对被试滤料上下游的气溶胶粒子和压差测点采样，从而获取测量数据，得到滤料的过滤效率及过滤阻力。气溶胶平均粒径为0.3μm，质量中值直径为0.26μm，几何标准偏差<1.83，流量为32L/min。在过滤性能测试过程中，保证气溶胶先通过非织造材料，然后再通过静电纺纳米纤维膜。增加过滤材料厚度、降低纤维直径、减小孔径等方式都能提高产品的过滤效率，但过滤阻力也随之增加式中：η为过滤效率；Δp为过滤阻力，即压差。1.5孔径特征测试测试设备：PMICFP-1100AI型孔径分析仪（PMIPorometer）。此设备采用泡点法测试过滤材料孔径特征。将试样浸入在表面张力已知的润滑剂中，然后放入试样室内固定，加压使气体分别通过干燥状态和润湿状态时的孔洞，计算此时通过孔径的气体压力和气流的变化，统计过滤材料孔径分布情况及其孔径大小。2结果与分析2.1复合材料的形貌纤维直径、材料的孔径及孔隙率是影响材料过滤性能的主要因素。静电纺纳米纤维与接收材料的复合，纳米纤维直径越小，材料填充得越均匀密实，孔径越小，过滤效率越高。除此之外，接收材料结构越紧密，纤维直径越小，比表面积越大，越容易使得静电纺纳米纤维均匀分布，进一步降低材料平均孔径，提高过滤效率。本文分别采用熔喷、针刺和热轧非织造材料为接收材料，与静电纺纳米纤维制成复合空气过滤材料。3种接收材料的基本性能如表1所示，其SEM图如图1所示。由表1和图1可知：熔喷非织造材料的面密度、厚度和纤维直径最小，孔隙率高，孔径小；针刺非织造材料结构最蓬松，其面密度和厚度最大；热轧非织造材料纤维直径最大，孔隙率低，孔径大。由于图1中3种材料的放大倍数一样，因此视野中的面积相同。在相同面积下，纤维越细，纤维根数越多，形成的孔隙数量越多，孔径越小。本试验在纺丝电压为18kV条件下，采用PAN质量分数分别为12%、14%、16%的纺丝液进行静电纺丝，制成的纳米纤维SEM图及直径分布如图2和3所示。由图2和3可知：当PAN质量分数为12%时获得的纤维平均直径最小；在相同纺丝工艺参数条件下，随着纺丝液中PAN质量分数的增加，纳米纤维平均直径将会增加，直径分布宽度增加。2.2接收时间对复合材料细复合材料的制备试验方案和过滤性能结果如表2所示，其中，A、B、C分别为未处理的熔喷、针刺和热轧非织造材料，A当其他工艺参数相同时，随着纺丝液中PAN质量分数的增加，纳米纤维直径增加，比表面积降低，复合材料的平均孔径增加，其过滤效率随之减小。与未处理的接收材料相比，复合材料的过滤效率显著提高，但过滤阻力也随之增加。由表2可知，当其他工艺参数相同时，接收时间越长，复合材料中的纳米纤维数量越多，材料填充得越密实，过滤效率越高，但是较长的接收时间使得材料的过滤阻力也大幅增加，最终导致接收时间为30min的复合材料品质因数普遍低于接收时间为15min的复合材料。因此，为提高复合材料的综合过滤性能，应选择合适的纺丝时间来制备高效低阻空气过滤材料，保证过滤效率≥95%和过滤阻力≤100Pa。非织造材料与静电纺纳米纤维复合能显著提高其过滤性能，但非织造材料本身的结构和纤维直径也会影响复合材料的过滤性能。3种复合材料中，静电纺/熔喷复合材料的过滤效率和平均品质因数最高，其次为静电纺/针刺复合材料，而静电纺/热轧复合材料最低。由于熔喷材料纤维平均直径为2.39μm，孔隙率高，孔径小，因此，在未经处理的3种材料中，熔喷材料A的过滤效率最高，为48.83%，与静电纺纳米纤维复合后，形成的复合材料孔径更小，提高了过滤效率。除试样A2.3复合材料的孔径在相同纺丝工艺参数条件下，接收时间为15min的复合材料品质因数均高于接收时间为30min的复合材料，因此选取部分接收时间为15min的静电纺复合材料进行孔径测试。未经任何处理的3种接收材料，即试样A、B、C的平均孔径分别为16.11、49.92、81.81μm，与静电纺纳米纤维复合后的材料平均孔径显著减小。5种试样的孔径分布如图4所示。由图4可知，当接收材料均为熔喷非织造材料时，随着纺丝液中PAN质量分数的增加，纳米纤维直径增加，复合材料平均孔径增大，孔径分布宽度增加。由于3种接收材料加工工艺及其纤维直径的差异，使得平均孔径由小到大依次为熔喷、针刺、热轧，因此，当PAN质量分数均为12%时，3种接收材料与静电纺纳米纤维复合后的试样平均孔径和孔径分布宽度依然遵循此规律。其中，当接收材料为熔喷非织造材料时，即试样A3复合材料的过滤性能(1）熔喷、针刺和热轧3种非织造材料与静电纺纳米纤维复合后，复合材料的过滤效率显著提高，但过滤阻力也随之增加。在其他工艺参数相同条件下，接收时间为15min的复合材料品质因数普遍高于接收时间为30min的复合材料，因此合理控制静电纺丝时间可有效提高复合材料的综合过滤性能。(2）当其他工艺参数相同时，随着纺丝液中