亞微米纖維復合非織造過濾材料的制備及性能分析*

史露露 劉玉軍 李貞兵 王榮武

1. 東華大學紡織學院，上海 201620；2. 江蘇省產(chǎn)業(yè)技術研究院，江蘇 南京 210042；3. 蘇州康富特環(huán)境科技有限公司，江蘇 蘇州 215024

近些年，空氣污染問題一直是社會密切關注的熱點。隨著人們健康意識的增強，市場對空氣過濾設備的需求日益增加。過濾材料作為空氣過濾設備的核心部分，其過濾精度決定著空氣的過濾效果。參考歐洲標準EN 1822-1:2009《高效空氣過濾器(EPA、HEPA與ULPA)第1部分：分級、性能試驗、標識》，高效空氣過濾器被劃分為三類：EPA過濾器，分三個級別(E10、E11、E12)；HEPA過濾器，分兩個級別(H13、H14)；ULPA過濾器，分三個級別(U15、U16、U17)。日常家用的高效空氣凈化器所選用的一般是E11(最易穿透粒徑法得到的過濾效率≥95.00%)級別的過濾器[1]。目前，商品化高效空氣過濾材料主要分為超細玻璃纖維材料和熔噴駐極非織造材料兩大類[2-5]。超細玻璃纖維材料在實現(xiàn)高效過濾的同時，其過濾阻力較大，而且玻璃纖維的脆性大，也易脫落，容易引發(fā)過敏反應，危害人體健康，故其產(chǎn)品的應用受到一定限制；熔噴駐極非織造材料因靜電力吸附而具有較高的過濾效率，但是其駐極電荷會隨著時間衰減，尤其在一定的相對濕度和油性顆粒物條件下，駐極電荷會更加迅速地衰減，導致其產(chǎn)品的過濾效率無法滿足使用要求。

靜電紡亞微米纖維具有纖維直徑小、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)點，在空氣過濾方面性能表現(xiàn)優(yōu)異，且隨著梯度結構理論的引入，靜電紡亞微米纖維膜過濾材料的過濾性能進一步被優(yōu)化[6]。目前，國內(nèi)外已有相關設備可用于靜電紡亞微米纖維膜的批量化生產(chǎn)[7]，這極大地推動了靜電紡亞微米纖維膜過濾材料的商品化進程。但是，亞微米纖維膜的強力很低。在實際應用中，常采用機織布或非織造布作為基布與亞微米纖維膜復合，從而增強過濾材料的性能。但由于亞微米纖維膜與基布之間的黏結力不足，在復合加工、濾芯制備、產(chǎn)品使用過程中，都可能造成亞微米纖維膜發(fā)生剝離或破壞，進而影響過濾材料的使用性能[8]。因此，為了滿足靜電紡亞微米纖維膜過濾材料的可加工性，需要提高亞微米纖維膜與基布之間的黏結力，制備具有一體化結構的亞微米纖維復合過濾材料。

熱黏合用乙烯(PE)-丙烯(PP)雙組分皮芯結構復合纖維(ES纖維)由兩種不同熔點的聚合物組成。其中，高熔點的聚合物作為芯層，被作為皮層的低熔點的聚合物包覆。熱處理后，ES纖維皮層的聚合物部分熔融，起到黏結作用[9]37-38。

本文選用靜電紡常用聚合物聚丙烯腈(PAN)制備具有簡單梯度結構的PAN亞微米纖維膜作為芯層材料，采用ES纖維熱風非織造材料作為上、下層，通過熱風穿透式黏合工藝制備亞微米纖維復合非織造過濾材料，探究熱風處理工藝參數(shù)對材料的成型效果、力學性能和過濾性能的影響，為產(chǎn)業(yè)化制備可加工性能優(yōu)良的亞微米纖維復合非織造過濾材料提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及儀器

(1) 試驗材料：PAN粉末(相對分子質(zhì)量為85 000)，上海國藥集團化學試劑有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，上海凌峰化學試劑有限公司；ES纖維熱風非織造材料，面密度為25 g/m2，ES纖維皮芯比(PP/PE)為50 ∶50，纖維直徑為17.98 μm，福建三明市康爾佳衛(wèi)生用品有限公司。

(2) 試驗儀器：JA2003B型電子天平，上海越平科學儀器有限公司；B4-1A型磁力攪拌器，上海碩光電子科技有限公司；平網(wǎng)式熱風穿透烘箱，東華大學自制；TM3000型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本日立儀器公司；LLY-06E型電子纖維強力儀，溫州百恩儀器有限公司；YG028-500型拉伸儀，溫州百恩儀器有限公司。

1.2 試樣制備

1.2.1 PAN亞微米纖維膜的制備

取一定量的PAN粉末加入DMF中，室溫下磁力攪拌24 h至完全溶解，配制成質(zhì)量分數(shù)分別為10%、14%的PAN紡絲液。采用課題組自制的無針靜電紡絲裝置[10]進行靜電紡絲，紡絲工藝條件：ES纖維熱風非織造材料作為接收基布，接收距離為20 cm，紡絲電壓為55 kV，滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min，噴頭橫移速度為1 200 mm/min。先用質(zhì)量分數(shù)為14%的紡絲液進行20 min的靜電紡絲，再用質(zhì)量分數(shù)為10%的紡絲液進行20 min的靜電紡絲，得到上、下層纖維直徑不同的PAN亞微米纖維膜，其微觀結構如圖1所示，上層為質(zhì)量分數(shù)為10%的紡絲液制備的PAN亞微米纖維纖網(wǎng)，纖維直徑為136 nm；下層為質(zhì)量分數(shù)為14%的紡絲液制備的PAN亞微米纖維纖網(wǎng)，纖維直徑為387 nm。

圖1 PAN亞微米纖維膜微觀結構

1.2.2 亞微米纖維復合非織造過濾材料的制備

將PAN亞微米纖維膜作為芯層，ES纖維熱風非織造材料作為上、下層，一起置入平網(wǎng)式熱風穿透烘箱(圖2)[11]中，通過熱風穿透式黏合工藝進行復合加工，得到亞微米纖維復合非織造過濾材料(下文簡稱“樣品”)。

1—主風機；2—電加熱器；3—主送吹風道；4—主抽吸風道； 5—ES纖維熱風非織造材料；6—PAN亞微米纖維膜； 7—傳送簾；8—冷卻輥圖2 平網(wǎng)式熱風穿透烘箱

經(jīng)過預試驗，最終選定的熱風穿透式黏合工藝參數(shù)如表1所示。本文主要探討熱風溫度和處理時間對樣品相關性能的影響，其中0#樣品未經(jīng)熱風穿透式黏合工藝復合加工，下文簡稱“未處理樣”。

表1 熱風穿透式黏合工藝參數(shù)

1.3 性能測試

1.3.1 力學性能

根據(jù)FZ/T 60011—2016《復合織物剝離強力試驗方法》標準，采用LLY-06E型電子纖維強力儀對樣品的剝離強力進行測試。樣品規(guī)格為30 mm×5 mm，夾持距離為10 mm，拉伸速度為10 mm/min。每種樣品測5次，結果取平均值。

根據(jù)GB/T 24218.3—2010《紡織品 非織造布試驗方法 第3部分：斷裂強力和斷裂伸長率的測定(條樣法)》標準，采用YG028-500型拉伸儀對樣品的斷裂強力進行測試。樣品規(guī)格為250 mm×50 mm，夾持距離為200 mm，拉伸速度為100 mm/min。每種樣品測5次，結果取平均值。

1.3.2 過濾性能

采用TSI8130型自動濾料測試儀，測試樣品的過濾效率與過濾阻力。選用NaCl氣溶膠顆粒，其質(zhì)量中值直徑為0.26 μm，氣體流速為32 L/min。每種樣品測5次，結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 力學性能

2.1.1 剝離強力

ES纖維熱風非織造材料層與PAN亞微米纖維膜之間的黏結牢度可用樣品的剝離強力進行表征。剝離強力越高，則過濾材料的一體化成型效果越好。圖3所示為樣品的剝離強力測試結果。

(a) 熱風溫度與剝離強力(處理時間為2 min)

(b) 處理時間與剝離強力(熱風溫度為130 ℃)圖3 樣品的剝離強力

由圖3(a)可知：在處理時間為2 min的條件下，當熱風溫度為130 ℃時，由于處理時間較短，樣品所受到的熱作用不足以使ES纖維的皮層組分充分熔融且發(fā)生黏性流動，因此1#樣品的剝離強力很低，僅為2.59 cN；當熱風溫度從130 ℃上升到133 ℃，樣品的剝離強力從2.59 cN(1#樣品)大幅增加到25.84 cN(2#樣品)；隨著熱風溫度的繼續(xù)上升，樣品的剝離強力呈逐步增大趨勢，這是由于隨著熱風溫度的升高，ES纖維熱風非織造材料受到的熱作用越來越劇烈，纖維皮層的低熔點組分的熔融越來越充分，導致ES纖維熱風非織造材料層與PAN亞微米纖維膜之間的黏結點越來越多，故樣品的剝離強力越來越大。

由圖3(b)可以看出：在熱風溫度為130 ℃的條件下，當處理時間從2 min增加到4 min，樣品的剝離強力急劇提高，從2.59 cN(1#樣品)增加到40.82 cN(5#樣品)，說明處理時間對樣品的剝離強力的影響顯著；當處理時間超過4 min以后，樣品的剝離強力的增加趨勢變得緩和。這是由于ES纖維的熔融部分完成擴散過程進而形成黏結點所需要的時間一定，當處理時間超出這個時間后，ES纖維的熔融部分的擴散作用不再顯著，故樣品的剝離強力的增加幅度下降。

2.1.2 斷裂強力

處理時間保持不變時不同熱風溫度所得的樣品(1#～4#)，以及熱風溫度保持不變時不同處理時間所得的樣品(1#、5#～8#)的斷裂強力測試結果如圖4所示(MD表示縱向，CD表示橫向)，并與未處理樣(0#)對照。

(a) 不同熱風溫度所得樣品的斷裂強力(處理時間為2 min)

(b) 不同處理時間所得樣品的斷裂強力(熱風溫度為130 ℃)圖4 樣品的斷裂強力

由圖4(a)可以看出：在處理時間為2 min的條件下，當熱風溫度從130 ℃(1#樣品)上升到136 ℃(3#樣品)，樣品的縱向斷裂強力和橫向斷裂強力均逐漸提高，且在熱風溫度為136 ℃時達到最大，這是ES纖維之間及ES纖維熱風非織造材料層與PAN亞微米纖維膜之間形成的黏結點共同作用的結果。

由圖4(b)可知：在熱風溫度為130 ℃的條件下，當處理時間為4 min時，5#樣品的縱向和橫向斷裂強力都達到最大，縱向斷裂強力為122.27 N，橫向斷裂強力為21.87 N；隨著處理時間的進一步增加，樣品的斷裂強力逐漸下降，這可能是因為ES纖維受到的熱作用時間太長，導致ES纖維熱風非織造材料發(fā)生了損傷。

圖4中1#樣品的斷裂強力較0#樣品小幅降低，原因如圖3所示，在熱風溫度為130 ℃和處理時間為2 min的工藝參數(shù)條件下，樣品的剝離強力過低，也就是說，ES纖維熱風非織材料層與PAN亞微米纖維膜之間的黏結作用過小，樣品在外力作用下易分層，造成應力分散，同時ES纖維熱風非織造材料受熱熔融可能引起纖維損傷，因此樣品的斷裂強力減小。

2.2 過濾性能

從2.1節(jié)的分析可以看出，當熱風穿透式黏合工藝參數(shù)在一定范圍內(nèi)時，隨著熱風溫度的提高和處理時間的延長，樣品的力學性能得到提升，這是由于ES纖維受到的熱作用越多，其發(fā)生熔融的部分越多，擴散范圍越大，ES纖維之間及ES纖維熱風非織造材料層與PAN亞微米纖維膜之間形成的黏結點越多。但這種黏結點的增多會對樣品過濾性能產(chǎn)生不利影響。因此，本節(jié)討論熱風穿透式黏合工藝參數(shù)對樣品過濾性能的影響。為了綜合考慮和評價樣品的過濾性能，引入品質(zhì)因子，按式(1)計算。品質(zhì)因子值越大，表明樣品的過濾性能越好。

(1)

處理時間保持不變時不同熱風溫度所得的樣品(1#～4#)的過濾性能測試結果如圖5所示，并與未處理樣(0#)對照。

(a) 過濾效率及過濾阻力

(b) 品質(zhì)因子圖5 不同熱風溫度所得樣品的過濾性能 (處理時間為2 min)

由圖5(a)可以看出，在處理時間保持在2 min的情況下：當熱風溫度為130 ℃時，由于ES纖維受熱不充分，ES纖維熱風非織造材料與PAN亞微米纖維膜之間形成的黏結點極少，1#樣品的過濾效率與0#樣品基本相同，過濾阻力有小幅增加；隨著熱風溫度的上升，樣品的過濾效率基本不變，過濾阻力則顯著提高，這是由于ES纖維熱風非織造材料中的纖維受到的熱作用增加，熔融部分增多，ES纖維熱風非織造材料層與PAN亞微米纖維膜之間形成的黏結點及范圍都增大，進而阻塞了PAN亞微米纖維膜。因此，樣品的品質(zhì)因子隨熱風溫度增加而下降，如圖5(b)所示。

圖(6)所示為熱風溫度保持不變時不同處理時間所得樣品(1#、5#～8#)的過濾性能測試結果，并與未處理樣(0#)對照。

(a) 過濾效率及過濾阻力

(b) 品質(zhì)因子

圖6 不同處理時間所得樣品的過濾性能(熱風溫度為130 ℃)

由圖6(a)可知，在熱風溫度保持在130 ℃的情況下：隨著處理時間的延長，樣品的過濾效率基本不變，與0#樣品也無差異；樣品的過濾阻力的變化明顯，當處理時間從2 min(1#樣品)延長到6 min(6#樣品)，樣品的過濾阻力顯著提高，之后增幅趨緩(6#樣品→7#樣品)，并趨于穩(wěn)定(7#樣品→8#樣品)。由于ES纖維受熱后產(chǎn)生的熔融部分的擴散距離有限[9]142-145，在該區(qū)域內(nèi)PAN亞微米纖維膜被完全阻塞后，不會再形成新的黏結點，因此樣品的過濾阻力不再增加。同樣地，隨著處理時間的延長，樣品的品質(zhì)因子呈現(xiàn)先快速下降再趨于穩(wěn)定的變化趨勢，如圖6(b)所示。

綜上，在熱風溫度為130 ℃和處理時間為4 min的條件下，亞微米纖維復合非織造過濾材料(5#樣品)的力學性能和過濾性能都相對較佳，剝離強力可達到40.82 cN，縱向斷裂強力為122.27 N，橫向斷裂強力為21.87 N，過濾效率為99.44%，過濾阻力為154.74 Pa。

為便于下文做進一步的驗證分析，表2羅列了樣品各個指標的測試結果。

表2 樣品的各個指標的測試結果

2.3 多指標綜合評價

為了對上述分析得到的較佳工藝參數(shù)進行驗證，選擇SPSS軟件進行多指標綜合評價分析。針對上述討論涉及的剝離強力、縱向和橫向斷裂強力、過濾效率、過濾阻力及品質(zhì)因子等6個指標，本小節(jié)采用主成分分析法計算各個指標的權重。為了提高統(tǒng)計分析的準確性，本小節(jié)選用樣品每次測試的原始數(shù)據(jù)作為樣本，每個樣品編號對應5組原始數(shù)據(jù)，即0#～8#共9種樣品形成45組樣本。由于各個指標的度量單位不同，在分析之前，利用極差法對樣本進行標準化處理，其結果稱為“標準化數(shù)據(jù)”，其中過濾阻力為負向指標，其余均為正向指標。然后，對標準化數(shù)據(jù)進行KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗及巴特利特(Bartlett)球形檢驗，得到KMO檢驗值為0.683，巴特利特球形檢驗值為468.696，顯著性檢驗值為0.000，結果顯示樣本適合進行因子分析[12]。

利用因子分析中的主成分分析法抽取5個共同因子，依據(jù)特征值大于1.00即選作主要成分的原則，共選取2個主要成分，總計可解釋全部方差的93.511%。

得到的成分矩陣如表3所示。

表3 成分矩陣

各個指標的綜合得分模型系數(shù)和權重分別按式(2)、式(3)計算[13]，結果如表4所示。

(2)

(3)

表4 各個指標的綜合得分模型系數(shù)和權重計算結果

由表4可知，表征過濾性能的指標(過濾效率、過濾阻力和品質(zhì)因子)的總權重為0.48。其中，亞微米纖維復合非織造過濾材料的過濾效率會受到PAN亞微米纖維膜自身均勻性的影響，而且其測試結果的變化微小，因此它的權重僅占0.07。本文認為該權重是合理的。

對表2中的測試結果進行標準化處理，得到樣品的各個指標的標準化數(shù)據(jù)(表5)，其值越接近1.00，表明樣品的該指標性能越優(yōu)異。

表5 樣品的各個指標的標準化數(shù)據(jù)

根據(jù)表4中各個指標的權重，對表5中各個指標的標準化數(shù)據(jù)進行加權計算，得到樣品的綜合得分(表6)。綜合得分越接近1.00，表示該樣品的綜合性能越好。

由表6可知，5#樣品的綜合得分最高，表明本試驗中，當熱風溫度為130 ℃和處理時間為4 min時，亞微米纖維復合非織造過濾材料的綜合性能最佳，這也驗證了2.2節(jié)的分析結果。

表6 樣品的綜合得分

2.4 最佳工藝參數(shù)下亞微米纖維復合非織造過濾材料的微觀結構

采用TM3000掃描電子顯微鏡觀察5#樣品的微觀結構、芯層及截面，并與0#樣品對照，如圖7所示。

由圖7(a)可以看出：經(jīng)過熱風穿透式黏合工藝復合加工后，ES纖維的皮層組分PE受熱熔融而擴散流動，并在ES纖維之間形成黏結點，使得ES纖維熱風非織造材料的結構更加緊密。

(a) 微觀結構

(b) 芯層

(c) 截面圖7 5#樣品的微觀結構、芯層及截面(0#樣品作為對照樣)

為了進一步觀察ES纖維熱風非織造材料層與PAN亞微米纖維膜之間的黏結點，將0#樣品和5#樣品外層(即上、下層)的ES纖維熱風非織造材料剝離，觀察其芯層的微觀結構，如圖7(b)所示，可以看出：PAN亞微米纖維膜的結構完整，未發(fā)生碳化或變形；ES纖維的皮層組分受熱熔融而擴散流動，滲入PAN亞微米纖維膜中，并在ES纖維附近區(qū)域形成黏結點，這可以解釋2.1.1節(jié)中樣品的剝離強力顯著提高的現(xiàn)象。

由圖7(c)可以看出：5#樣品較0#樣品的結構緊實，ES纖維熱風非織造材料與PAN亞微米纖維膜未發(fā)生分離，表明樣品的成型效果較好。

3 結論

以PAN亞微米纖維膜為芯層，ES纖維熱風非織造材料為上、下層，通過熱風穿透式黏合工藝制備亞微米纖維復合非織造過濾材料，在一定范圍內(nèi)，隨著熱風溫度的提高或處理時間的延長，過濾材料的力學性能得到提高，但同時其過濾阻力必定會受到不良影響。因此，在實際生產(chǎn)中，需要合理控制工藝參數(shù)。本試驗中，當熱風溫度為130 ℃和處理時間為4 min時，亞微米纖維復合非織造過濾材料的成型效果、力學性能和過濾性能都較佳，其剝離強力達40.82 cN，縱向斷裂強力為122.27 N，橫向斷裂強力為21.87 N，在氣體流速為32 L/min的條件下，過濾效率為99.44%，過濾阻力為154.74 Pa，可用作精細空氣過濾材料的濾芯。