口罩熔噴布的替代品綜述

馬 越 李雪梅 屠慕欣 孫 悅 東 旭

（遼東學(xué)院，遼寧丹東118000）

一、靜電紡絲原理

靜電紡絲不同于傳統(tǒng)的紡絲加工技術(shù)，其主要是借助于高壓靜電場使聚合物溶液或熔體帶電并發(fā)生形變，在噴頭末端處構(gòu)成懸垂的錐狀液滴，當(dāng)液滴外表的電荷斥力超越其外表張力時，在液滴外表就會高速噴射出聚合物細(xì)小液體流，簡稱“射流”。這些射流在一個較短的間隔內(nèi)經(jīng)過電場力的高速拉伸、溶劑蒸發(fā)與固化，最終沉積在接納板上，構(gòu)成聚合物纖維[1-2]。

二、靜電紡纖維膜在過濾領(lǐng)域的應(yīng)用

纖維過濾器由于其結(jié)構(gòu)簡單和材料成本低而被廣泛應(yīng)用于過濾領(lǐng)域。早在第一次世界大戰(zhàn)時就出現(xiàn)了以石棉纖維作為濾料的防毒面具[3]。通常情況下，過濾效率與過濾材料中纖維的細(xì)度有緊密的關(guān)系，當(dāng)纖維直徑≤0.5μm時，在壓降不變的前提下，可有效提高纖維網(wǎng)的過濾效率。一般非織造無紡基布的纖維直徑為12μm，而亞微米纖維直徑為250 nm，兩者相差約兩個數(shù)量級。[4]靜電紡納米纖維直徑小，比表面積大，孔隙率高，在過濾方面有著廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)過濾介質(zhì)的不同，一般將過濾分為空氣過濾和液體過濾，機理就是將雜質(zhì)截留在膜的表面或者內(nèi)部以達(dá)到凈化的目的，本文主要研究其在空氣過濾方面的應(yīng)用。

三、空氣過濾

早在2007年Yun[5]等就證實了靜電紡納米纖維膜之商用過濾膜在空氣過濾方面有著明顯的優(yōu)勢。他們利用靜電紡絲的方法制備出了平均直徑在270～400nm的聚丙烯腈（PA N）納米纖維膜。與傳統(tǒng)的由聚烯烴和玻璃纖維制成的商用過濾器相比，靜電紡制備的納米纖維直徑更均勻。測量納米顆粒通過過濾器的滲透結(jié)果表明，靜電紡絲納米纖維膜制備的過濾器的過濾效率是納米纖維膜厚度的函數(shù)，在與商業(yè)過濾器具有相同的過濾效率時，所需要的纖維膜的厚度更小質(zhì)量更輕。聚酰胺（PA）[6]、聚碳酸酯（PC）、聚醚砜（PES）等多種靜電紡絲納米纖維過濾膜材料也相繼被開發(fā)出來，其空氣過濾性能均超過市場商業(yè)用過濾膜。但單一的納米纖維膜普遍存在著隨著纖維膜厚度增加濾效增加，濾阻也成指數(shù)增加的問題，隨之還有納米實驗證明具有適當(dāng)材料成分和微觀結(jié)構(gòu)的SPI/PVA混合納米纖維膜可用作新型高性能環(huán)保過濾材料。

Choi等通過靜電紡絲技術(shù)把合成的草藥提取物摻入（HEI）納米纖維及其在抗菌空氣過濾中應(yīng)用有效的空氣過濾器，過濾效率為99.99%，對表皮葡萄球菌的抗菌活性為99.98%。實驗證明，空氣過濾中的草藥提取物/聚合物混合納米纖維可能具有控制室內(nèi)空氣質(zhì)量以抵抗危險的生物氣溶膠的潛力。

四、靜電紡絲納米纖維在過濾方面的優(yōu)點

（1）纖維直徑小，均一性好。提高纖維濾材過濾性能的有效方法之一就是降低其纖維的直徑，因為對于由直徑數(shù)十微米的纖維制備出的纖維過濾器隨著纖維直徑的降低濾材的過濾效率會得到提高。

（2）小孔徑、高孔隙率及高通量。運用靜電紡絲技術(shù)的纖維孔隙率可達(dá)80%～90%，這種結(jié)構(gòu)的濾材在有效地去除亞微米級別以及微米級別的顆粒的同時，對水流只會產(chǎn)生較小的阻礙比。

（3）大比表面積、強吸附力。靜電紡纖維有非常大的比表面積，這種結(jié)構(gòu)大大地增加了顆粒沉積在纖維濾材表面的幾率，這會對過濾的效果產(chǎn)生巨大的改觀。其次，當(dāng)過濾的顆粒非常小時，這些細(xì)小的顆粒會堆積在膜表面，產(chǎn)生所謂的“層效應(yīng)”，也會使得靜電紡絲薄膜的有效孔徑尺寸顯著下降。

（4）可再生性、節(jié)約環(huán)保。在實際的過濾過程中，大部分的雜質(zhì)會留在靜電紡絲薄膜的表面，只有其他很少的一部分顆粒會在靜電紡薄膜內(nèi)部和底部沉積，這就決定了該過濾材料方便清潔的特性，它的可持續(xù)再生的吸附功能有利于環(huán)保要求并會降低成本。

（5）低成本、種類多及工藝可控。靜電紡絲已經(jīng)是高效制備納米級纖維材料的主要途徑之一，它的優(yōu)點甚多，如可紡物質(zhì)種類涵蓋廣、生產(chǎn)制造的裝置簡單、紡絲成本低廉、紡絲工藝可控等等。靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)成功制備出多種納米纖維，包括有機、有機/無機復(fù)合和無機納米纖維。

目前應(yīng)用靜電紡絲技術(shù)的納米纖維過濾材料已經(jīng)可以應(yīng)用于諸多高要求的過濾領(lǐng)域，其對直徑在0.3μm以下的顆粒，過濾效率可達(dá)到99.97%以上，也由于它出色的過濾精度，該材料具備了廣泛應(yīng)用于電子、生物、醫(yī)藥和防護等領(lǐng)域的前景。

五、電紡絲技術(shù)制備的納米纖維存在的問題及改進(jìn)

電紡絲技術(shù)制備的納米纖維其缺點在于纖維強力較低，單獨使用很難達(dá)到力學(xué)性能要求，這也導(dǎo)致其使用范圍受到限制。姚春梅等采用聚乳酸熔噴非織造布為基布，使用靜電紡絲技術(shù)制備乳酸纖維，并將其覆蓋在基布上，得到了性能優(yōu)良的過濾材料。此外，靜電紡過程中由于溶液黏度、射流電荷密度，溶液表面張力等因素的作用所產(chǎn)生的串珠結(jié)構(gòu)，使納米纖維的結(jié)構(gòu)變得不均勻，影響著材料的過濾性能，而提高溶液黏度、射流電荷密度和降低表面張力均有利于形成無珠纖維。盧文蕓在制備靜電紡PVA纖維時發(fā)現(xiàn)，添加一定濃度的鹽后可以獲得直徑較小的無珠纖維，這是由于鹽的加入使靜電紡過程中溶液射流表面電荷密度增加，而電荷的增加有利于增大拉伸力，從而獲得較小的纖維珠粒，纖維直徑更細(xì)。

靜電紡纖維的直徑不均勻也是普遍存在的缺陷，Demir在研究靜電紡聚氨酯納米纖維材料時發(fā)現(xiàn)，在70°C時紡制的納米纖維的均勻性比在室溫時紡的要好得多，這是由于溫度越高聚氨酯溶液的粘度越小。室溫下，PU的最大可紡濃度為12.8wt%；而在高溫下，最大可紡濃度上升到21.2wt%。

六、發(fā)展前景

傳統(tǒng)口罩使用的材料是熔噴無紡布，是通過駐極工藝的處理，造成的一種靜電效應(yīng)，對顆粒物進(jìn)行攔截。但是，使用過程中，呼吸所帶來的濕度的變化，其過濾效率會發(fā)生下降，需要每四個小時更換一次。而納米纖維隔膜是靠物理作用對顆粒物進(jìn)行攔截，其對0.3微米的顆粒物的阻隔效率可以達(dá)到99%以上，而且不會因為潮濕等原因而失效。納米纖維膜解決了熔噴布電荷吸附能力會隨時間和環(huán)境的變化減弱，從而導(dǎo)致過濾功能逐漸衰減的弊端。而這也就是納米纖維膜代替熔噴布的優(yōu)勢，并且靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維直徑很小，所以其表面活性和表面能較大，具有良好的保持電荷的能力，增強了纖維的阻隔性和吸附能力，利用納米纖維的低密度、高孔隙度和大的比表面積還可以做成多功能防護服。這種微細(xì)纖維鋪成的網(wǎng)帶有很多微孔類似于膜的產(chǎn)品，能允許蒸氣擴散，也就是所謂的可呼吸性，又能擋風(fēng)和過濾微細(xì)粒子，對氣溶膠的阻擋性提供了對生物或化學(xué)武器和生物化學(xué)有毒性的防護性，而可呼吸性又保證了穿著者的舒適性。與當(dāng)前大多空氣凈化器中運用的HEPA(高效過濾膜)比較，一樣的過濾作用下，納米纖維過濾膜的空氣通過率更高，膜兩邊壓力差也更小。除了防護方面的優(yōu)勢，靜電紡納米纖維材料經(jīng)過發(fā)展、研究和商業(yè)化，已被廣泛應(yīng)用于復(fù)合增強材料領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)材料、電子及光學(xué)領(lǐng)域、環(huán)境保護領(lǐng)域、能源發(fā)電領(lǐng)域的的各個方面,諸如細(xì)胞培養(yǎng)、藥物釋放、導(dǎo)電高分子納米纖維、有害物質(zhì)監(jiān)控、污水處理、柔性傳感器、靜電消耗等，為現(xiàn)今許多問題的解決提供了新的方向，發(fā)揮著極其重要的作用。