靜電駐極mTiO2@PVDF電紡膜用于空氣過濾*

田文軍 郝 銘 李芳穎 黃 政 劉延波

武漢紡織大學(xué)紡織與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200

霧霾不僅給人們的健康帶來危險(xiǎn)，同時(shí)也對(duì)社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生了巨大的不良影響。一直以來，空氣污染得不到有效治理，空氣過濾器、防霧霾口罩在局部地區(qū)逐漸發(fā)展成為生活必需用品[1]?，F(xiàn)在，市面上的大多數(shù)防霾口罩對(duì)微米及納米級(jí)顆粒的過濾效果并不好，這是因?yàn)橹T如攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、布朗擴(kuò)散效應(yīng)和重力效應(yīng)等機(jī)械過濾機(jī)制對(duì)于捕獲直徑小于1.000 0 μm的顆粒并不是很有效，而可以捕獲直徑小于1.000 0 μm的顆粒的靜電沉積過濾機(jī)制還沒有得到廣泛應(yīng)用[2]。目前，改善空氣質(zhì)量最有效的手段是空氣過濾，而應(yīng)用靜電駐極熔噴非織造布的現(xiàn)有空氣過濾技術(shù)存在孔徑大、電荷衰減快的問題，基于靜電紡絲技術(shù)的納米纖維膜又存在纖維堆積密度大、過濾效率高但過濾阻力大的問題[3]。因此，開發(fā)一種高效低阻的靜電駐極空氣過濾材料非常重要。

本文擬利用TiO2納米顆粒摻雜PVDF聚合物材料進(jìn)行靜電紡，然后對(duì)所得電紡膜進(jìn)行靜電駐極處理，制備帶電的納米纖維過濾材料，以獲得高效低阻的過濾性能。由于在前期研究中發(fā)現(xiàn)TiO2納米顆粒因團(tuán)聚性和親水性而不易在有機(jī)溶劑中均勻分散，因此在靜電紡絲加工前利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)TiO2納米顆粒進(jìn)行改性處理，賦予其更好的介電性和分散性。本文主要研究硅烷偶聯(lián)劑KH570用量對(duì)TiO2納米顆粒改性效果的影響，以及改性TiO2納米顆粒摻雜量對(duì)電紡膜的表面形貌與結(jié)構(gòu)、孔徑分布、透氣性能、拉伸性能、駐極性能和過濾性能的影響；同時(shí)研究在最佳TiO2納米顆粒摻雜量條件下，電紡膜的面密度對(duì)其過濾性能的影響，以獲得高效低阻的最優(yōu)過濾性能。由于電紡膜的強(qiáng)力偏低，對(duì)其表面電勢(shì)和過濾性能測(cè)試時(shí)，采用聚丙烯(PP)紡黏布作為基材，以提供支撐作用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

PVDF粉末，美國(guó)蘇威公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；TiO2納米顆粒(粒徑為25.00 nm，金紅石型)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氫氧化鈉(NaOH)固體，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；γ-脲基丙基三乙氧基硅烷溶液(KH570)，上海麥克林生化科技有限公司；PP紡黏布(面密度為20.0 g/m2，厚度為0.07 mm)，南通匯升貿(mào)易有限公司。

1.2 改性TiO2納米顆粒的制備

稱取5.00 g TiO2納米顆粒，置于干燥箱內(nèi)，在100 ℃下烘30 min；同時(shí)配制50 mL無水乙醇與水(無水乙醇∶水=1∶1，體積比)的混合溶液，置于燒杯中，然后滴加氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)混合溶液的pH值至10。將烘干的TiO2納米顆粒加入上述混合溶液中，超聲分散30 min，然后在80 ℃水浴條件下攪拌30 min，使TiO2納米顆粒均勻分散在乙醇溶液中，得到乳白色TiO2分散液。按設(shè)定的KH570 /TiO2納米顆粒質(zhì)量比值(簡(jiǎn)稱“KH570/TiO2質(zhì)量比”，分別為0.00、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30，其中“0.00”表示未添加KH570)，稱取相應(yīng)質(zhì)量的硅烷偶聯(lián)劑(即KH570) 并放入燒杯中，再加入10 mL乙醇溶液。然后，將含有KH570的乙醇溶液滴加到TiO2分散液中，通過水浴升溫至80 ℃，攪拌反應(yīng)3 h。反應(yīng)過程中，體系始終呈白色穩(wěn)定乳液，體系溫度穩(wěn)定在80 ℃。反應(yīng)結(jié)束后，體系自然冷卻至室溫，將產(chǎn)物置于燒杯中并放入烘箱，在100 ℃下烘3 h，得到改性TiO2(記作“mTiO2”)納米顆粒。

1.3 mTiO2@PVDF電紡膜的制備

在室溫下，使用電子天平分別稱取質(zhì)量為0.00、0.06、0.12、0.18、0.24 g的mTiO2納米顆粒并加入到17.60 g DMF溶液中，然后通過超聲波清洗機(jī)分散20 min，得到5種mTiO2納米顆粒分散液。使用電子天平稱取質(zhì)量為2.40 g的 PVDF共5份，分別加入裝有上述5種分散液的瓶子中，用保鮮膜封住瓶口，然后將瓶子放入水浴鍋中，在50 ℃下加熱4 h，得到5種mTiO2納米顆粒/PVDF混合溶液，并在室溫下通過磁力攪拌器攪拌5 h，得到5種紡絲液，根據(jù)mTiO2納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.0、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%)，分別記作TiO2/PVDF-0.0、TiO2/PVDF-2.5、TiO2/PVDF-5.0、TiO2/PVDF-7.5、TiO2/PVDF-10.0。

采用前期研究得到的最佳工藝參數(shù)[紡絲液濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))12.0%，紡絲電壓29.0 kV，接收距離19 cm，喂液速率1 mL/h，環(huán)境溫度(25±2)℃、相對(duì)濕度(45±2)%]，在實(shí)驗(yàn)室自制的靜電紡絲裝置(圖1)上進(jìn)行靜電紡絲，所用針頭為 20號(hào)，接收滾筒的表面以離型紙包覆。5種紡絲液共制備出5種mTiO2摻雜PVDF(記作mTiO2@PVDF)電紡膜，其編號(hào)與紡絲液一致。

圖1 實(shí)驗(yàn)室自制的靜電紡絲裝置

通過mTiO2@PVDF電紡膜的相關(guān)性能測(cè)試及分析，獲得最佳的mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，再在此條件下制備不同面密度(0.6、0.9、1.2、2.2、3.1、4.6 g/m2)的電紡膜。

1.4 mTiO2@PVDF電紡膜的靜電駐極處理

使用正電壓電暈充電方式，在室溫下對(duì)mTiO2@PVDF電紡膜進(jìn)行靜電駐極處理，賦予電紡膜一定的駐極性能。具體的處理?xiàng)l件：電壓20.0 kV，距離15 cm，時(shí)間20 min。靜電駐極裝置如圖2所示。

圖2 靜電駐極裝置示意

下文涉及的電紡膜測(cè)試樣品均為經(jīng)過靜電駐極處理的mTiO2@PVDF電紡膜，為簡(jiǎn)化起見，其名稱仍采用“mTiO2@PVDF電紡膜”，“結(jié)果與討論”部分也采用同樣的表述。

1.5 測(cè)試方法

1.5.1 粒徑測(cè)試

粒度觀測(cè)法是通過顯微鏡觀察測(cè)定分散體系中粉體材料的粒徑的一種常用方法。稱取一定質(zhì)量(0.05 g)的mTiO2納米顆粒并加入到50 mL去離子水中，超聲處理至少30 min，得到樣品(即TiO2分散液)。采用Nano-ZS90激光納米粒度儀在固定的儀器設(shè)定角度(90°)和25 ℃的環(huán)境溫度下測(cè)定樣品的粒徑，并通過Intensity模式分析，得到樣品的平均粒徑。

1.5.2 紅外光譜(FTIR)分析

將未改性的TiO2納米顆粒和mTiO2納米顆粒(KH570/TiO2質(zhì)量比為0.15)充分干燥后分別與溴化鉀壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)測(cè)定改性前后TiO2分子結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)變化情況。

1.5.3 紫外-可見光(UV-VIS)吸收光譜分析

稱取少量的mTiO2納米顆粒并分散在無水乙醇中，超聲處理至分散均勻，用滴管取在室溫環(huán)境中已靜置24 h的上清液于比色皿中，采用UV-3 型紫外分光光度計(jì)測(cè)試其紫外吸收能力，掃描范圍為100.00～1 000.00 cm-1。

1.5.4 表面形貌與結(jié)構(gòu)觀測(cè)

采用飛納(Phenom)臺(tái)式掃描電鏡觀察mTiO2@PVDF電紡膜的表面形貌，并根據(jù)所得到的電鏡照片，利用Image Pro Plus和Origin 8.5進(jìn)行分析，獲取該電紡膜的平均纖維直徑。

1.5.5 孔徑分布測(cè)試

采用CFP-1500-AEXL孔徑分析儀，通過氣液法測(cè)試mTiO2@PVDF電紡膜的孔徑分布。

1.5.6 透氣性能測(cè)試

材料的透氣性能一般以透氣率表征。透氣率是指在一定的壓差條件下，氣流在一定時(shí)間內(nèi)通過一定面積的材料的體積，單位為mm/s。使用YG461E-III型全自動(dòng)透氣性檢測(cè)儀測(cè)定mTiO2@PVDF電紡膜的透氣率，測(cè)試面積為20 cm2，測(cè)試壓差為100 Pa。

1.5.7 拉伸性能測(cè)試

(1) 采用數(shù)顯薄膜測(cè)厚儀測(cè)試mTiO2@PVDF電紡膜的厚度。每種mTiO2@PVDF電紡膜取 20個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果取平均值。

(2)采用Instron5967萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定mTiO2@PVDF電紡膜的拉伸性能。拉伸速度為 10 mm/min，預(yù)加張力為 0.1 cN，試樣尺寸為 5 cm×1 cm。每種mTiO2@PVDF電紡膜測(cè)試 3次，結(jié)果取平均值。

1.5.8 表面電勢(shì)測(cè)試

使用FMX-004靜電測(cè)試儀測(cè)定mTiO2@PVDF電紡膜的表面電勢(shì)，用以表征其表面電荷衰減情況，即駐極性能。

1.5.9 水接觸角測(cè)試

使用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定mTiO2@PVDF電紡膜的水接觸角，用以表征其拒水性能。試樣尺寸為5 cm×5 cm。每種mTiO2@PVDF電紡膜測(cè)試3次，結(jié)果取平均值。

1.5.10 過濾性能測(cè)試

使用LZC-H型濾料綜合性能測(cè)試臺(tái)測(cè)定mTiO2@PVDF電紡膜的過濾效率和過濾阻力。設(shè)置氣流量為85 L/min，氣溶膠顆粒粒徑為0.300 0～10.000 0 μm，每次測(cè)試時(shí)間大約為1 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑

如圖3所示，隨著硅烷偶聯(lián)劑即KH570的加入，即當(dāng)KH570/TiO2質(zhì)量比從0.00上升為0.10時(shí)，mTiO2納米顆粒的粒徑幾乎增大了2倍。此時(shí)，由于KH570的用量很少，KH570先水解生成硅氧烷負(fù)離子，未能與TiO2納米顆粒反應(yīng)，使得納米顆粒更難在水中分散，易于在水中發(fā)生團(tuán)聚，表現(xiàn)為粒徑大幅增加。當(dāng)KH570/TiO2質(zhì)量比為0.15時(shí)，mTiO2納米顆粒表面接枝上有機(jī)官能團(tuán)，其表面能降低，所以在水中的分散性提高，粒徑顯著減小。當(dāng)KH570/TiO2質(zhì)量比大于0.15之后，隨著硅烷偶聯(lián)劑即KH570的用量增加，mTiO2納米顆粒的粒徑呈逐漸增大趨勢(shì)。其原因是KH570的用量過多，與TiO2納米顆粒全部反應(yīng)后還有剩余，這些KH570發(fā)生水解所生成的硅氧烷負(fù)離子在TiO2納米顆粒表面發(fā)生架橋現(xiàn)象[4]，從而降低mTiO2納米顆粒的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其在水中的分散性下降，容易團(tuán)聚形成較大的顆粒物。

圖3 改性前后TiO2納米顆粒的粒徑測(cè)試結(jié)果

綜上，當(dāng)KH570/TiO2質(zhì)量比為0.15時(shí)，mTiO2納米顆粒的粒徑最小(219.60 nm)，表明改性效果最佳。

2.2 FTIR

圖4給出了改性前后的TiO2納米顆粒的紅外光譜，其中曲線a為未改性的TiO2納米顆粒的紅外光譜，曲線b為mTiO2納米顆粒(KH570/TiO2質(zhì)量比為0.15)的紅外光譜。

圖4 改性前后TiO2納米顆粒的紅外光譜

2.3 UV-VIS吸收光譜

如圖5所示，當(dāng)KH570/TiO2質(zhì)量比從0.00增加到0.15時(shí)，上清液的吸光度逐漸增大并達(dá)到最大值(0.268)，說明此時(shí)溶液中的顆粒數(shù)量最多，未沉積在底部，分散效果最好。其原因可能是KH570的加入降低了TiO2納米顆粒表面的化學(xué)能，形成空間位阻效應(yīng)，使顆粒均勻分散在溶液中。進(jìn)一步提高KH570的用量，當(dāng)KH570/TiO2質(zhì)量比超過0.15之后，上清液的吸光度開始逐漸下降。這與2.1節(jié)的粒徑分析結(jié)果吻合，粒徑大則不易分散。

圖5 改性前后TiO2納米顆粒的吸光度

2.4 表面形貌與結(jié)構(gòu)

圖6所示為5種mTiO2@PVDF電紡膜的表面形貌與結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果。觀察圖6(a)可發(fā)現(xiàn)，純PVDF電紡膜的纖維直徑較粗，平均纖維直徑為596.72 nm。隨著mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2.5%增加到10.0%，mTiO2@PVDF電紡膜的纖維直徑逐漸減小，平均纖維直徑分別下降為412.18、399.56、310.14、293.01 nm，而且纖維直徑不勻率下降，串珠數(shù)量逐漸增多。其原因可能是mTiO2納米顆粒的加入增加了紡絲液的電導(dǎo)率，在壓力更高的靜電場(chǎng)作用下，纖維被拉得更細(xì)。但是在纖維牽伸拉細(xì)的過程中，TiO2納米顆粒會(huì)在一定程度上阻礙紡絲液射流的連續(xù)性，從而影響分子鏈的纏結(jié)不良，導(dǎo)致粗節(jié)的形成。

(a) TiO2/PVDF-0.0

(b) TiO2/PVDF-2.5

(c) TiO2/PVDF-5.0

(d) TiO2/PVDF-7.5

(e) TiO2/PVDF-10.0

2.5 孔徑分布與透氣性能

如圖7所示，mTiO2納米顆粒摻雜量對(duì)mTiO2@PVDF電紡膜的孔徑分布的影響顯著，隨著mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，mTiO2@PVDF電紡膜的孔徑逐漸減小。如前文所述，mTiO2納米顆粒的加入使得紡絲液的電導(dǎo)率增大，在較大的電場(chǎng)力和較強(qiáng)的庫(kù)侖斥力的作用下，紡絲液射流經(jīng)牽伸可形成更細(xì)的纖維，其容易在接收滾筒表面密集堆砌，造成mTiO2@PVDF電紡膜的孔徑減小。

圖7 mTiO2@PVDF電紡膜的孔徑分布

mTiO2@PVDF電紡膜的透氣性能測(cè)試結(jié)果見表1。為了分析mTiO2@PVDF電紡膜的透氣性能與其孔徑之間的關(guān)系，表1中還給出了其最大孔徑和平均孔徑測(cè)試結(jié)果。

表1 mTiO2@PVDF電紡膜的透氣性能及最大孔徑和平均孔徑

由表1可見，改性TiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.0增加到7.5%，mTiO2@PVDF電紡膜的透氣率無顯著變化；當(dāng)mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，mTiO2@PVDF電紡膜的透氣率顯著降低，而此時(shí)的最大孔徑與平均孔徑均為最小，即透氣率與孔徑的吻合度較好。由此表明，mTiO2納米顆粒摻雜PVDF可改變紡絲液的荷電性質(zhì)，導(dǎo)致所制備的mTiO2@PVDF電紡膜的孔徑和透氣率相應(yīng)變化[6]。

2.6 拉伸性能

如圖8所示，mTiO2@PVDF電紡膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為兩個(gè)部分：在屈服點(diǎn)之前，mTiO2@PVDF電紡膜發(fā)生彈性形變；在屈服點(diǎn)之后，mTiO2@PVDF電紡膜即發(fā)生斷裂，沒有出現(xiàn)非彈性變形，這說明纖維之間彼此粘連在一起，因此不發(fā)生纖維滑移現(xiàn)象。隨著mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.0增加到5.0%，mTiO2@PVDF電紡膜的斷裂強(qiáng)度逐漸提升并達(dá)到最大值，這可能是因?yàn)閙TiO2納米顆粒嵌入纖維與纖維之間，能起到一定的黏結(jié)作用。隨著mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，mTiO2納米顆粒嵌入纖維大分子之間，從而削弱分子間作用力，間接地導(dǎo)致纖維強(qiáng)力降低，mTiO2@PVDF電紡膜的斷裂強(qiáng)力相應(yīng)下降。此外，mTiO2納米顆粒在其高摻雜量條件下更易在纖維表面發(fā)生團(tuán)聚，造成纖維之間的抱合作用和黏合作用減弱，這也會(huì)導(dǎo)致纖維強(qiáng)力下降。

圖8 mTiO2@PVDF電紡膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.7 駐極性能

從圖9可以看出，在7 d內(nèi)，mTiO2@PVDF電紡膜的表面電勢(shì)從正值逐漸轉(zhuǎn)化成負(fù)值。本試驗(yàn)中，靜電駐極處理采用正電壓電暈充電方式，它的主要作用是使空氣發(fā)生電離，由此產(chǎn)生的正離子在外加電場(chǎng)的作用下沉積到電紡膜表面，并被電紡膜表面的陷阱捕獲。之后，電紡膜表面的正電荷開始逸散，在空間電荷及極化電荷的作用下，電紡膜的表面電勢(shì)在20 d左右趨于穩(wěn)定。其中，未摻雜mTiO2納米顆粒的電紡膜的表面電勢(shì)在-4.5 kV左右；mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)電紡膜的靜電駐極效果最好，其表面電勢(shì)達(dá)到-9.0 kV左右。

圖9 電紡膜的表面電勢(shì)

隨著mTiO2納米顆粒摻雜量的提高，mTiO2@PVDF電紡膜的電荷儲(chǔ)存能力明顯改善，這主要?dú)w功于mTiO2納米顆粒的加入使得電紡膜表面的Ti—O—Si、Si—O—Si等強(qiáng)極性鍵、結(jié)晶區(qū)與結(jié)晶度增加。當(dāng)mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5.0%之后，電紡膜的表面電勢(shì)降低到-7.0 kV左右。過量的mTiO2納米顆粒易聚集在一起，形成電荷運(yùn)輸通道，使得電紡膜的電導(dǎo)率增加，因此其電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性下降[7]。綜上，mTiO2納米顆粒摻雜量存在最佳值，并不是越多越好。

圖9還表明在28 d的測(cè)試周期內(nèi)，經(jīng)過靜電駐極處理后，mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0% 所制備的電紡膜的表面電勢(shì)雖然呈現(xiàn)振蕩式的變化趨勢(shì)，但在最后2 d內(nèi)呈上升趨勢(shì)；而其他4種電紡膜的表面電勢(shì)變化規(guī)律大致相同，且在最后2 d內(nèi)均呈下降趨勢(shì)。半年后，再次對(duì)上述樣品的表面電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0% 所制備的電紡膜的表面電勢(shì)只衰減到-7.0 kV左右，而其他電紡膜的表面電勢(shì)基本上衰減為0.0，這進(jìn)一步說明5.0%為最佳的mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.8 拒水性能

電紡膜的拒水性能以水接觸角進(jìn)行表征，水接觸角越大，拒水性能越強(qiáng)。從圖10可以看出，純PVDF電紡膜的水接觸角為116.5°。隨著mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.0增加到5.0%，mTiO2@PVDF電紡膜的水接觸角呈逐漸增加趨勢(shì)，這可能是因?yàn)閙TiO2納米顆粒的加入導(dǎo)致電紡膜的微觀粗糙度提高，從而提高了電紡膜表面的拒水效果(即荷葉效應(yīng)增強(qiáng))。當(dāng)改性TiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至10.0%時(shí)，mTiO2@PVDF電紡膜的水接觸角呈逐漸下降趨勢(shì)并達(dá)到最低值(104.9°)。分析其原因，可能是mTiO2納米顆粒的加入導(dǎo)致纖維變細(xì)，纖維比表面積增加，故水滴容易在電紡膜表面快速鋪展，其水接觸角相應(yīng)減小。綜上，mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%所制備的mTiO2@PVDF電紡膜的拒水性能最優(yōu)(122.3°)，這使得該電紡膜用作濾材時(shí)的過濾效率受水氣和濕度的影響最小，使用過程中的過濾性能最穩(wěn)定。

圖10 mTiO2@PVDF電紡膜的水接觸角

2.9 過濾性能

2.9.1 mTiO2納米顆粒摻雜量的影響

如圖11所示，隨著mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.0增加到5.0%，mTiO2@PVDF電紡膜的過濾效率和過濾阻力均呈上升趨勢(shì)，在mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%時(shí)，兩者均達(dá)到最大值，分別為98.627%、88 Pa，這主要是因?yàn)閾诫smTiO2納米顆粒會(huì)增強(qiáng)靜電吸附效應(yīng)。進(jìn)一步提高mTiO2納米顆粒摻雜量，mTiO2@PVDF電紡膜的過濾效率和過濾阻力開始下降，這可能是因?yàn)閙TiO2納米顆粒的數(shù)量較多而容易聚集，形成電荷運(yùn)輸通道，其會(huì)降低電紡膜的電荷儲(chǔ)存能力。此外，mTiO2納米顆粒在纖維表面聚集，會(huì)造成纖維結(jié)構(gòu)不勻和電紡膜結(jié)構(gòu)不勻，導(dǎo)致電紡膜孔徑偏大，進(jìn)而對(duì)電紡膜的過濾性能產(chǎn)生不利影響，使得過濾效率下降。

圖11 mTiO2@PVDF電紡膜的過濾性能

2.9.2 電紡膜面密度的影響

根據(jù)2.6～2.8及2.9.1的分析，本節(jié)選用綜合性能最佳的TiO2/PVDF-5.0，考察它的面密度對(duì)其過濾性能的影響。圖12給出了PP紡黏布及不同面密度(0.6、0.9、1.2、2.2、3.1、4.6 g/m2)的TiO2/PVDF-5.0的過濾性能測(cè)試結(jié)果，其中：橫坐標(biāo)上的“0”對(duì)應(yīng)PP紡黏布，它的過濾效率和過濾阻力分別為30.024%和20 Pa；其他數(shù)值代表TiO2/PVDF-5.0的面密度，隨著其從0.6 g/m2增加到2.2 g/m2，TiO2/PVDF-5.0的過濾效率和過濾阻力都逐漸遞增(前者分別為86.894%、90.378%、96.627%、98.799%，后者分別為49、75、80、90 Pa)。這表明PP紡黏布與電紡膜復(fù)合可明顯提高材料的過濾效果。進(jìn)一步增大TiO2/PVDF-5.0的面密度(3.1、4.6 g/m2)，電紡膜的過濾效率略微增加(分別為98.894%、99.791%)，但過濾阻力大幅提高(分別為124、204 Pa)，比面密度為2.2 g/m2時(shí)分別提升了37.8%、126.7%。這說明電紡膜的面密度增加至一定程度后，電紡膜的過濾效率提高主要?dú)w因于單位面積內(nèi)的纖維根數(shù)增多，使得mTiO2納米顆粒在一定空氣流速下易被電紡膜阻擋，而靜電效應(yīng)的作用不再起主導(dǎo)作用。

圖10 PP紡黏布及不同面密度的TiO2/PVDF-5.0的過濾性能

3 結(jié)論

本試驗(yàn)利用硅烷偶聯(lián)劑KH570對(duì)TiO2納米顆粒進(jìn)行改性，并將mTiO2納米顆粒添加到PVDF溶液中，通過靜電紡絲制備mTiO2@PVDF電紡膜，再對(duì)mTiO2@PVDF電紡膜進(jìn)行靜電駐極處理。然后，對(duì)mTiO2納米顆粒進(jìn)行粒徑測(cè)試及FTIR和UV-VIS吸收光譜分析，并對(duì)靜電駐極處理后的mTiO2@PVDF電紡膜的表面形貌與結(jié)構(gòu)、孔徑分布、透氣性能、拉伸性能、駐極性能、拒水性能、過濾性能等進(jìn)行測(cè)試分析。得出：

(1) 當(dāng)KH570/TiO2質(zhì)量比為0.15時(shí)，KH570對(duì)TiO2納米顆粒的改性效果最佳，所得mTiO2納米顆粒的平均粒徑最小(219.60 nm)，其上清液的UV-VIS吸收光譜的吸光度達(dá)到最大(0.268)。

(2) mTiO2納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%是其最佳摻雜量，所得mTiO2@PVDF電紡膜的表面形貌與結(jié)構(gòu)及過濾性能最優(yōu)，過濾效率為98.627%；水接觸角可達(dá)122.3°，可實(shí)現(xiàn)拒水效應(yīng)，作為濾材在使用過程中不受環(huán)境相對(duì)濕度和濕氣的影響；駐極性能最佳，表面電勢(shì)高達(dá)-9.0 kV左右。

(3) 面密度為2.2g/m2時(shí)，TiO2/PVDF-5.0的過濾性能最佳，針對(duì)粒徑為0.300 0～10.000 0 μm的顆粒物的過濾效率為98.799%，過濾阻力為90 Pa。

(4) 僅增加mTiO2@PVDF電紡膜的厚度，不能實(shí)現(xiàn)其最佳過濾性能。必須在適當(dāng)?shù)拿婷芏然A(chǔ)上結(jié)合靜電駐極處理技術(shù)，mTiO2@PVDF電紡膜方可獲得理想的過濾性能(高效低阻)。