静电纺聚乳酸纤维的制备

静电纺聚乳酸纤维的制备

非织布的过滤效率非常好。静电纺丝法是目前制备纳米纤维最重要、最直接的方法。制得的纳米纤维由于其直径小,纳米纤维毡的机械强度相对较低、使用寿命短,须将纳米纤维与基布复合,可以直接将静电纺纳米纤维收集到普通的过滤材料上,提高过滤性能。TimothyGrafe等1实验部分1.1材料和设备聚乳酸(PLA):相对分子质量为1.0×101.2熔喷非织造布的纺丝和接收将PLA颗粒加入到质量比为8∶2的三氯甲烷与N-N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中,室温下用磁力搅拌器搅拌至完全溶解得到质量分数为10%的纺丝液。静电纺丝的接收装置上放上一块大小合适的PLA熔喷非织造布,尽量保持布的平整性,使纳米纤维更好地服贴到非织造布的表面。调整纺丝装置高度,使喷丝头与接收装置中心基本处于同一水平线上。设定溶液流量为0.5mL/h、纺丝电压为15kV、接收距离为17cm保持不变,通过改变纺丝时间得到负载了不同厚度纳米纤维层的非织造布。1.3孔络率测试孔隙率计算得其孔隙率,其中:ρ=1.27g/cm1.4孔径及孔径分布采用美国PMI公司生产的毛管流动孔隙仪对各样品的孔径及孔径分布进行测试。将各待测样品用Porewick液体完全润湿饱和,再将样品置于样品室并密封好,选择“Dry-up/wetup”模式进行测量。1.5过滤性能测试采用苏州华达仪器设备有限公司生产的LZC-H型滤料综合性能测试台测试各试样的过滤性能。气溶胶类型为葵二酸二辛酯(DEHS),流量为25L/min。采用苏州华达仪器设备有限公司生产的BCJ-1系列激光尘埃粒子计数器对空气中不同粒径粒子的过滤性能进行测试,流量为2.83L。2结果与讨论2.1pla静电纺纤维的形态结构如图1所示,(a)、(b)分别为放大3000倍的PLA熔喷非织造布和PLA静电纺纤维的SEM图片,从图可以看出,静电纺纤维与熔喷法得到的纤维相比,具有更细的直径,直径分布更为均匀,经测量可知PLA熔喷非织造布中的纤维平均直径大概为2.1μm,而静电纺PLA纤维为620nm左右。2.2复合过滤材料厚度的确定孔隙率是影响非织造过滤材料过滤性能的一个重要参数,直接影响着过滤材料的过滤效率和过滤阻力,孔隙率增加,则纤维与纤维间的空隙增多,过滤材料的透气性增加,对滤尘的拦截效率减少,即过滤效率下降。测量各个样品的厚度和计算所得的孔隙率如表1所示。由表1可以看出:随着纺丝时间的增加,复合过滤材料的厚度增大,孔隙率有所减少。PLA熔喷非织造布中单纤维在空间层层交错排列,其平均直径在2.1μm左右,形成孔隙率较高的三维立体结构。而静电纺丝形成的PLA纳米纤维毡是由更细的纤维搭建形成,直径在620nm左右,细纤维间能够形成更紧密的交错排列,有利于纤维毡密度的提高,从而使孔隙率变小2.3pla和熔喷纳米纤维复合过滤材料的孔径分布非织造布过滤材料的过滤效率与纤维的直径有密切关系。纤维直径减小,过滤材料的孔径和透气性减小,过滤材料的过滤效率提高。静电纺丝形成的纳米纤维在熔喷非织造布表面形成一层具有纤维细度细、孔径小、孔隙数目多的纳米纤维毡,这样在过滤时可以拦截尺寸更小的粒子来提高过滤效率,同时透气性也会减小,即压力降增大。图2所示的为各过滤材料的孔径及孔径分布情况,由图可以看出,随着纺丝时间的增加,孔径在不断减小,孔径分布先分散后集中。从图2(a)可看出未与静电纺纳米纤维层复合的熔喷PLA非织造布已具有尺寸比较小、分布比较均匀的孔隙,孔径在21~21.5μm之间的孔隙已经达到85%以上。当与静电纺丝纳米纤维层复合时,如图2(b)所示纺丝时间为0.5h,复合过滤材料的孔径大部分分布在16.3~21μm之间,分布比较分散,但孔隙尺寸变化明显;从图2(c)、(d)可以看出,纺丝时间分别为1h和2h时,孔径与0.5h的相比也在减少,并且不断朝小孔径的方向分布;如图2(e)所示,当纺丝时间为3h时,孔径在8.3~10μm之间的孔隙占了79%的比例,在10~12μm之间的孔隙占了20.52%,其它孔径分布几乎为零。静电纺过程中,原先PLA熔喷非织造布的“大孔”随着更细的纳米纤维的沉积,渐渐地变成相对的“小孔”,在这变化的过程中,孔径的分布则由原先的集中分布变为朝小孔径方向的分散分布,在随着纺丝时间的增加,更多的纳米纤维则产生更多的“小孔”,使孔径分布的相对集中。随静电纺时间的延长,纳米纤维层形成孔径较小、分布均匀的孔隙,这样对细小粒子的拦截更加有利,提高过滤效果;同时纳米纤维搭建密实使孔隙率降低,与上述孔隙率的测试结果相符,也会直接导致过滤阻力的增加。2.4纺丝时间和过滤速度直径较细的纳米纤维形成的纳米纤维毡填充密实,形成的孔隙小,过滤效率提高,过滤阻力增大。表2所示纳米纤维含量不同的各样品对不同粒径粒子的过滤效果,可以清楚地看出,复合纳米纤维的PLA熔喷非织造布的过滤效率与没有复合的滤布相比,对不同粒径的粒子过滤效率都有提高,特别对于粒径比较小的粒子,效果更为明显。从图3容易看出,纺丝时间对粒径为0.3μm和0.5μm的粒子的过滤效率影响十分明显,原样只有将近40%和50%的过滤效率;当纺丝时间为0.5h时就增加到将近70%和80%的过滤效率;纺丝时间到2h时,均达到了99%以上,可见纳米纤维层对小粒径粒子过滤精度的提高起到了突出的作用。图4显示了纺丝时间对过滤材料过滤阻力的影响,随着纺丝时间的延长,压力降在不断增加,这与前面孔隙率、孔径、过滤效率的测试结果相一致。复合过滤材料在过滤效率提高的同时,压力降增大,系统能耗相应会增加,我们往往希望过滤材料能满足高效低阻的要求,提高过滤精度的同时减少能耗,节约费用。从上述讨论可知:过滤效率的提高必然连带孔隙率的减小、过滤阻力的增大。过滤效率与过滤阻力是过滤过程中的一个矛盾,是研发高效低阻过滤材料的焦点问题。3纳米纤维复合空气过滤材料本研究原料PLA熔喷非织造布里的纤维直径平均为2.1μm,利用静电纺丝法可制得更细的纤维,PLA纳米纤维直径在620nm左右。利用PLA纳米纤维形成的纳米纤维层与PLA熔喷非织造布复合得到绿色环保的复合空气过滤材料,其孔隙率、孔径及孔径分布、过滤效率和压力降都随着纺丝时间的不同而变化