PP熔噴/PU靜電紡復(fù)合材料的制備及其過濾性能

李琦嫻,楊建忠

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

熔噴材料由于其結(jié)構(gòu)蓬松、過濾路徑曲折[1],常被用作過濾材料,一般可以過濾粒徑范圍在0.05～3 μm的微粒[2],但較高效過濾材料仍有一定的差距[3]。靜電紡絲作為一種近年發(fā)展起來(lái)的技術(shù),由于其孔隙率高[4],被認(rèn)為是制備納米纖維最簡(jiǎn)單有效的方法之一[5-6]。HEIKKILA等[7]通過靜電紡絲技術(shù)制備出殼聚糖/聚碳酸酯復(fù)合納米纖維,由于其空氣滲透率較好,適宜用作空氣過濾材料;魯杰等[8]通過靜電紡絲制備聚乙烯吡咯烷酮/水性聚氨酯復(fù)合膜,發(fā)現(xiàn)在水性聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)防霧霾效率最高。目前使用復(fù)合工藝改善熔噴材料性能的研究較少,亟需開發(fā)簡(jiǎn)易高效的熔噴空氣過濾復(fù)合材料。

本文通過改變靜電紡絲工藝參數(shù),觀察納米纖維形貌,確定最優(yōu)紡絲參數(shù)以提高熔噴材料的過濾性能，使復(fù)合材料有更加優(yōu)異的性價(jià)比。由于PU纖維具有良好的黏附性[9],易于黏附在PP材料上,遇到空氣中的粉塵顆粒時(shí)亦會(huì)產(chǎn)生優(yōu)異的吸附效果,因而采用靜電紡絲工藝將PU納米纖維噴覆于PP無(wú)紡布表面，制備PP熔噴/PU靜電紡復(fù)合材料，改善熔噴材料的脆性以及吸附性，提高PP無(wú)紡布材料的過濾性能,在空氣過濾領(lǐng)域具有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料與儀器

1.1.1.原料 PU纖維(巴斯夫公司);DMAc(分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);甲醇(分析純,上海聚泰特種試劑有限公司);PP熔噴非織造材料(平方米克重33.64 g·m-2,實(shí)驗(yàn)室自制)。

1.1.2 儀器 靜電紡絲設(shè)備(注射器針頭為20號(hào),實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)易搭建)；JC2000C型接觸角測(cè)量?jī)x(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司);JSM-6510掃描電鏡(東莞市協(xié)美電子有限公司);TOPAS AFC-131型過濾性能測(cè)定儀(上海匯分電子科技有限公司)。

1.2 材料制備

1.2.1 紡絲液的制備 首先將氨綸纖維浸泡在甲醇溶液中30 min,以充分去除纖維表面的化學(xué)油漬,由于甲醇溶液有一定的毒性和揮發(fā)性,待溫度降低取出纖維擰干水分后在蒸餾水中將纖維洗凈,接著置于恒溫爐中水浴蒸煮去除纖維上殘留的甲醛；將纖維置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中除去水分,烘箱的最高溫度設(shè)置為150 ℃,熱烘溫度100 ℃,熱烘時(shí)間40 min。將烘干的纖維剪碎后,靜置一段時(shí)間即制得各質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%～8%)的PU靜電紡絲液。

1.2.2 復(fù)合材料的制備 采用控制變量法,在電子天平上按表1稱取各所需物質(zhì),配置成紡絲液后置于靜電紡絲設(shè)備上紡絲。將紡絲液分別注入注射器儲(chǔ)液槽后，設(shè)置紡絲靜電壓、擠出速率和接收距離，見表2。將PU納米纖維噴覆在PP熔噴材料表面制得復(fù)合材料。

1.3 表征及測(cè)試

1.3.1 掃描電鏡 采用JSM-6510掃描電鏡觀測(cè)鋁箔上的納米纖維以及復(fù)合非織造布。將試樣剪成50 mm×50 mm的矩形樣品并粘貼在導(dǎo)電膠上,經(jīng)過鍍金等一系列操作后,設(shè)置電壓15 kV,獲取SEM圖像。

1.3.2 接觸角 采用JC2000C1靜滴接觸角測(cè)量?jī)x,測(cè)量熔噴材料及復(fù)合濾材的接觸角,直接測(cè)量物理量的不同,可分為量角法、測(cè)力法、長(zhǎng)度法和透過法[10-12]。本實(shí)驗(yàn)采用的是最常用的角度測(cè)量法[13]。將復(fù)合材料放入試樣夾內(nèi),將滴管針頭移入鏡頭范圍內(nèi)滴入1滴蒸餾水,凍結(jié)最清晰的液滴圖像，單擊量角法按鈕測(cè)得各液滴接觸角大小。

1.3.3 過濾性能 采用TOPAS AFC-131過濾性能測(cè)定儀,氣溶膠粒子為DEHS,粒徑范圍是0.33～0.36 μm,采用計(jì)數(shù)法測(cè)定材料的過濾效率。

參照GB/T 6165—2008標(biāo)準(zhǔn),將試樣剪成直徑為175 mm的圓片,按要求裝入試樣后,對(duì)直徑為0.2～30 μm的氣溶膠分級(jí)過濾。

濾阻的測(cè)試過程同過濾效率的測(cè)試過程,理想濾材即要求濾效高的同時(shí)盡量減小濾阻[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜電紡參數(shù)的優(yōu)化及性能分析

2.1.1 紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米纖維細(xì)度與分布的影響 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大小對(duì)靜電紡纖維直徑有一定的影響[15]。為探究質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PU納米纖維細(xì)度與分布的影響,選取1#～5#PU靜紡纖維進(jìn)行對(duì)比。1#試樣紡絲液黏度太小無(wú)法形成連續(xù)流體;5#試樣紡絲液黏度太高,經(jīng)磁力攪拌時(shí)磁石無(wú)法自由旋轉(zhuǎn),無(wú)法形成均勻流體。2#～4#PU靜電紡纖維的SEM圖像如圖1所示。

圖1可以發(fā)現(xiàn),3種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的靜電紡纖維形貌均較好,隨著紡絲液濃度增大,纖維直徑增大,纖維分布變均勻。其他變量一定時(shí),靜電紡絲濃度越高,納米纖維直徑越大,并且鋁箔上纖維的分布越均勻,纖維直徑分布也越集中。

2.1.2 靜電壓對(duì)納米纖維細(xì)度與分布的影響 根據(jù)上述討論結(jié)果, 對(duì)比 3#與6#，4#與7#試樣,PU質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，靜電壓不同時(shí)，PU靜電紡纖維的SEM圖像如圖2所示。

由圖2可以看出,不同靜電壓下PU纖維的成形性都比較好,纖維較為光滑且分布均勻。靜電壓對(duì)纖維的直徑有很大的影響,當(dāng)電壓增大時(shí),靜電場(chǎng)產(chǎn)生的牽伸力隨之增大,纖維直徑減小[16-17]。

(a) 5% (b) 6% (c) 7%圖 1 不同紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)SEM圖像比較Fig.1 SEM image comparison of different spinning solution mass fraction

(a) 6%，22 kV (b) 6%,20 kV (c) 7%,22 kV (d) 7%,20 kV圖 2 不同靜電壓SEM圖像比較Fig.2 SEM image comparison of different voltages

(a) 2# (b) 3# (c) 4#圖 3 熔噴/靜電紡復(fù)合材料SEM圖像Fig.3 SEM images of melt-blown electrospun composite

圖3是2#～4#復(fù)合濾材的SEM圖像。微粒尺寸、氣體流速、濾材纖維直徑以及厚度等均決定濾材濾效[18]。圖3中,納米纖維基本成網(wǎng)絡(luò)狀并嵌于熔噴布的表面,由于是2種完全不同的工藝條件制備的纖維,兩者的直徑差異較大,形成很明顯的細(xì)度梯度結(jié)構(gòu),且納米纖維直徑很小,因而復(fù)合后材料的比表面積增加,過濾效率也應(yīng)該有較大提升。由于靜電紡絲的時(shí)間較長(zhǎng),納米纖維層相對(duì)較厚,孔隙率變得更低,所以材料濾阻應(yīng)該明顯增加。紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)孔隙率最低,濾阻相對(duì)較大。

2.2 復(fù)合材料表面結(jié)構(gòu)

以PU質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%為例,在不同靜電壓下制得PP熔噴/PU靜電紡復(fù)合材料，其SEM圖像如圖4所示。

圖4當(dāng)紡絲靜電壓降低至20 kV時(shí),由于電壓減小,纖維直徑相對(duì)增大,纖維間空隙相對(duì)減小,孔隙率增大,濾阻增大,因此濾效會(huì)略有提高。

(a) 22 kV (b) 20 kV圖 4 不同電壓下PP熔噴/PU靜電紡復(fù)合材料SEM圖Fig.4 SEM images of melt-blown electrospun composite in different voltages

2.3 復(fù)合材料的接觸角大小

接觸角的大小間接反映纖維表面吸水性能,也可以反映對(duì)粒子的過濾效果。熔噴/靜電紡復(fù)合材料的接觸角測(cè)試結(jié)果依次為：未覆膜材料124.7°，樣本2#125.3°，3#118.7°，4#111.6°。

可以看出,隨著PU靜電紡絲液濃度的提高,復(fù)合材料的接觸角降低。表明隨著PU質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,纖維氈的纖維間空隙增大,因此材料接觸角減小,相應(yīng)的過濾效率會(huì)隨之降低。比較復(fù)合材料與未覆膜熔噴材料的接觸角，可以看出,PU質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，復(fù)合材料與未覆膜材料接觸角相差不大,不會(huì)對(duì)復(fù)合材料過濾性能產(chǎn)生很大影響。

2.4 復(fù)合材料的過濾性能

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的紡絲液噴覆在PP熔噴材料表面,靜電紡絲時(shí)間為8 h,探討紡絲液濃度對(duì)復(fù)合材料過濾效果的影響。不同復(fù)合材料對(duì)DEHS氣溶膠顆粒的濾效以及濾阻測(cè)試結(jié)果見表3～4。

表3不同復(fù)合材料的過濾效率

Table 3 Filtration efficiency of different composites %

氣溶膠直徑/μm試 樣未覆膜材料2#3#4#5#0.200～0.25020.164.877.074.243.3 0.250～0.35026.184.793.790.560.9 0.350～0.45037.692.497.795.073.7 0.450～0.60038.393.998.696.475.4 0.600～0.75044.996.499.597.981.1 0.750～1.00052.697.499.898.985.6 1.000～1.50057.198.710099.388.9 1.500～2.00067.399.410099.793.4 2.000～3.00070.7100—10094.4 3.000～4.500—100——100

表4不同復(fù)合材料的過濾阻力

Table 4 Filtration resistance of different composites Pa

氣溶膠流速/(m3·h-1)試 樣未覆膜材料2#3#4#5#2.50721542713 5.0111421025024 7.5016621507435 10.0121861999847 12.512610324511259

從表3，4可看出,當(dāng)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)濾效較好并且較早達(dá)到飽和,且趨于定值。過濾相同粒徑的氣溶膠,紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣為6%時(shí)濾效最高。且復(fù)合材料對(duì)直徑小于0.3 μm的微粒有極好的過濾效果。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,材料的過濾性能先增大后減小,濾阻也相應(yīng)地先增大后減小，靜電紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí),復(fù)合材料的過濾阻力最大;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，濾效較高且濾阻較小。

綜合考慮這2個(gè)因素,當(dāng)靜電紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí),復(fù)合材料兼顧濾效高且濾阻較低2個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因此靜電紡納米纖維的最優(yōu)紡絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%。

3 結(jié) 語(yǔ)

以PU為原料,采用靜電紡絲工藝,制成了一種PP熔噴/PU靜電紡復(fù)合材料。根據(jù)SEM圖像表征和纖維形貌可得，當(dāng)紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%,紡絲靜電壓為22 kV,紡絲液擠出速率為0.020 mL·min-1,接收距離為20 cm時(shí),納米纖維層細(xì)且均勻,濾效最高,對(duì)粒徑范圍小于0.3 μm的粒子有優(yōu)異的過濾性能,改善了單一熔噴材料的過濾性能,適合用作空氣過濾材料。由于PU靜電紡材料尚處于實(shí)驗(yàn)室制備階段,纖維膜強(qiáng)度較低,后續(xù)研究應(yīng)致力于其力學(xué)性能的改進(jìn)與提高。