靜電紡絲技術制備隔離PM2.5的防霧霾紗窗及其性能分析

趙明良 張盼盼

青島大學 紡織服裝學院(中國)

隨著社會進步與科技的發(fā)展，人類的生產(chǎn)活動對環(huán)境的影響越來越大，尤其是交通、工業(yè)及電廠釋放的污染物?？諝馕廴疚镏饕赏寥婪蹓m、車輛排放尾氣、燃煤燃燒物、二次氣溶膠和生物質(zhì)燃燒物等多種成分組成[1]?？諝馕廴疽殉蔀閲窠?jīng)濟發(fā)展中急需解決的重要問題。在這些空氣污染物中，對環(huán)境及人體健康影響最大的是顆粒物污染(PM)。相較于發(fā)達國家，發(fā)展中國家的工廠尤其多，這使得大部分發(fā)展中國家成為受顆粒物污染的主要區(qū)域。隨著霧霾現(xiàn)象的日益加重，其對人體健康的影響越來越大，人們的環(huán)保意識也愈來愈強烈[2]。室內(nèi)空氣在人們的生活中尤為重要，顆粒物污染，尤其是可吸入顆粒物(包括有害纖維、灰塵、皮屑及飛沫等)不僅會對室外空氣產(chǎn)生影響，而且可通過門窗進入室內(nèi)，進而對人體健康造成影響?？諝馐侨藗兩畹幕颈匦杵罚粋€成年人平均每分鐘約呼吸16次，在這個過程中每天會交換10 000 L空氣[3]?？晌腩w粒物的表面及內(nèi)部可能附著有大量致病性細菌、病毒及有機污染物，被吸入體后，會產(chǎn)生巨大的危害。

根據(jù)美國環(huán)境保護局的一份報告，PM 2.5水平的提高，導致全世界每年約有210萬人死亡。凈化空氣(包括從空氣中清除顆粒物)可有效對抗有害物質(zhì)——高濃度PM 2.5的影響。高性能空氣凈化材料能高效捕集PM 2.5。在此背景下，室內(nèi)空氣過濾器應運而生，過濾材料作為關系過濾器性能的核心部件，近年來也逐漸成為人們關注的焦點。然而，目前使用的空氣凈化過濾材料，如玻璃纖維、紡黏纖維和針刺纖維，由于空氣分子與纖維直接接觸且纖維孔徑大，導致其過濾效率低而空氣阻力高。靜電紡纖維具有孔徑小、孔隙率高及表面性能高等特性，已廣泛應用于諸多領域[4-6]，如，用于室內(nèi)空氣過濾器中，實現(xiàn)高過濾效率、大吸附容量和低壓阻的過濾效果。但目前的室內(nèi)空氣過濾器噪聲大、耗電量多，不夠經(jīng)濟環(huán)保。為此，本文采用熱塑性聚氨酯(TPU)為溶質(zhì)，以N，N-二甲基甲酰胺為溶劑，配制紡絲溶液，對其進行靜電紡絲，并將纖維絲收集在玻璃纖維紗網(wǎng)上，制備防霧霾紗網(wǎng)。然后，對所得防霧霾紗網(wǎng)進行透光性、疏水性、透氣性及接觸角測試與分析，探討較合理的纖維網(wǎng)收集時間，以制備性能良好的防霧霾紗窗，凈化室內(nèi)空氣。

1 試驗

1.1 試劑與儀器

試劑：TPU和N，N-二甲基甲酰胺。

儀器：數(shù)顯控溫磁力攪拌器(常州市金壇友聯(lián)儀器研究所)，電子天平(上海精天電子儀器有限公司)，便攜式靜電紡絲儀(青島聚納達科技有限公司)，電腦型金相顯微鏡(上海萬衡精密儀器有限公司)，接觸角測定儀(承德金和儀器制造有限公司)，透氣性測定儀(理寶商貿(mào)有限公司)，注射器(山東瑞通高分子醫(yī)療器械有限公司)。

1.2 聚合物溶液的配制與靜電紡絲

采用電子天平稱取3 g TPU裝入容器中，然后，用滴管滴入7 g N， N-二甲基甲酰胺，配制質(zhì)量分數(shù)為30%的紡絲溶液。將配制好的溶液放在磁力攪拌器上進行攪拌，待TPU完全溶解后，用容量為5 mL的注射器吸取適量的紡絲液，安裝上針頭，待用。

靜電紡絲試驗裝置如圖1所示。將靜電紡絲槍口與玻璃纖維紗網(wǎng)間的距離調(diào)整為30 cm，紗網(wǎng)位于接收極板(鐵板或錫箔紙)正前方，與接收極板的間距為10 cm。其中，玻璃纖維紗網(wǎng)需裁剪成合適的大小，并黏合在鐵架臺上。此外，在靜電紡絲槍的后方放置一鐵架臺，并將吹風機豎直固定在鐵架臺上，使吹風機的出風口與靜電紡絲槍的高度平齊，方向一致，以產(chǎn)生氣流作用。否則，紡出的絲容易四處亂飛，且落在玻璃纖維紗網(wǎng)上的纖維絲均勻性差。將裝有紡絲液的注射器放入靜電紡絲槍中，并將紡絲電壓調(diào)整為15 V，紡絲速度調(diào)整為30 μm/s，進行靜電紡絲。

圖1 靜電紡絲試驗裝置

2 紗網(wǎng)性能測試與分析

2.1 外觀形貌

在進行紡絲過程中，用試管夾夾住載玻片，將其放在紗網(wǎng)前方，以獲取適量的纖維絲。將收集有纖維絲的載玻片放置在光學顯微鏡下，觀察纖維的外觀形貌，包括雜亂度、直徑及纖維表面光滑度等。

從紡絲時長(接收時間)為10 min的紗網(wǎng)上裁下一長方形的小塊試樣，放在光學顯微鏡下，蓋上載玻片，觀察纖維和紗網(wǎng)的形態(tài)，并與用載玻片收集得的纖維網(wǎng)進行對比。兩種情況下纖維網(wǎng)的外觀形貌如圖2所示。由圖2可看出，在不采用玻璃纖維紗網(wǎng)收集的情況下，所得纖維網(wǎng)中纖維形態(tài)雜亂，直徑不均勻，纖維之間易產(chǎn)生黏連，且纖維伸直度局部不均勻，如圖2a)所示。采用玻璃纖維紗網(wǎng)收集纖維，紡出的絲能很好地附著在紗網(wǎng)上，伸直度較高，如圖2b)所示。此外，在較大的放大倍數(shù)下可以觀察到，纖維之間的孔隙率較大，這意味著用其制作防霧霾紗窗，產(chǎn)品將在透光性和透氣性方面有較好的體現(xiàn)。纖維絲層層重合，相互之間黏連緊密，可在有效防止紗網(wǎng)破損的同時，實現(xiàn)較好的顆粒物阻隔效果。

圖2 靜電紡絲所得紗網(wǎng)的外觀形貌

2.2 透光性

將經(jīng)靜電紡絲處理10 min(采用玻璃纖維紗網(wǎng)收集靜電紡纖維絲)的紗網(wǎng)垂直放置在陽光下，并透過紗網(wǎng)觀察其背面景物的清晰程度，然后與未經(jīng)靜電紡絲處理的紗網(wǎng)(原玻璃纖維紗網(wǎng))進行對比。研究結果表明，靜電紡絲處理10 min所得紗網(wǎng)的透光率約為60.2%。靜電紡絲處理前后玻璃纖維網(wǎng)的透光性存在一定的差異，經(jīng)靜電紡絲處理后，紗網(wǎng)背面的景象清晰度減弱，但不影響基本的觀察，對光照的阻隔也較小(圖3)，基本屬于在合理的范圍內(nèi)。

圖3 靜電紡絲處理前后玻璃纖維紗網(wǎng)的透光性對比

2.3 疏水性

選擇經(jīng)靜電紡絲處理10 min的紗網(wǎng)試樣為測試對象，測試其疏水性。從紗網(wǎng)上裁剪出一塊與載玻片長度相等的試樣，將其黏貼在載玻片上。在試樣表面位置平整處，用滴管滴1滴去離子水，待液滴形態(tài)穩(wěn)定后，測量其接觸角。然后等距滴剩下的4滴水，觀察并記錄數(shù)據(jù)。試驗結果表明，經(jīng)靜電紡絲處理10 min的紗網(wǎng)試樣的接觸角大于110°，即試樣表現(xiàn)出疏水性。與玻璃纖維紗網(wǎng)的接觸角(69°)相比，靜電紡絲處理后紗網(wǎng)試樣的疏水性增加。而疏水性好的紗網(wǎng)可在雨天很好地防止漏雨，具有非常強的實用性[7]。

圖4 靜電紡絲處理后紗網(wǎng)試樣的接觸角測試結果

2.4 透氣性

將靜電紡收集時間分別設置為8、10、12和15 min，獲得4種不同收集時間的紗網(wǎng)試樣。分別從4種紗網(wǎng)上裁剪出一塊圓形試樣，采用透氣性檢測儀測試其透氣率。測試面積為20 cm2，壓力為200 Pa。測試步驟與注意事項如下：

——將試樣平整夾持在測試平臺上，測試點選取平整且織造完好的部位，避開邊緣位置處，以免出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差，同時夾持試樣的張力應適中，過大易造成褶皺及拉扯，過小則易出現(xiàn)試樣夾持不緊，造成測試結果不準；

——啟動吸風機使空氣通過試樣，待氣流流量達穩(wěn)定值后，記錄透氣量；

——同樣在200 Pa壓力條件下，在同一試樣靠近中心的不同部位重復測定至少5次；

——若試樣夾持處出現(xiàn)漏氣的情況，則應測定漏氣量，并從所記錄的透氣量中減去該數(shù)值，然后計算多次測得的透氣量的算術平均值。

不同靜電紡收集時間下試樣的透氣量測試結果如表1所示。由表1可知，隨著靜電紡收集時間的增加，試樣的透氣量逐漸減小，透氣性降低，尤其是時間由10 min延長至12 min時，試樣的透氣量明顯降低。當靜電紡收集時間為8 min時，試樣的透氣量較大，但此時所得紗網(wǎng)試樣易破損，不易保存，而靜電紡收集時間為12 min和15 min時，試樣的透氣量過小，故認為收集時間為10 min時較適宜，此時試樣的透氣量適中且不易破損。

表1 不同靜電紡收集時間下試樣的透氣量測試結果

2.5 過濾性能

采用煙管測試紡絲時長為10 min的紗網(wǎng)試樣的過濾性能。在管道的一端點煙，煙霧將通過中間的紗網(wǎng)進入管道另一端，將壓差計的兩根細管分別插入煙管兩端。首先，用肉眼觀察管道兩端煙霧的濃度差異；然后，觀察壓差計的數(shù)值；最后，將紗網(wǎng)取下，觀察紗網(wǎng)上留下的顆粒物痕跡。試驗結果表明，壓差計兩端的壓力差異不大，表明紗網(wǎng)可正常透氣；紗網(wǎng)上留下較多的顆粒物痕跡，表明紗網(wǎng)試樣的過濾性能較好，能有效阻隔PM 2.5及直徑更大的顆粒物，滿足防霧霾要求。

圖5 紗網(wǎng)試樣的過濾性能測試

3 防霧霾紗窗制備及其防霧霾效果

由前文的研究可知，經(jīng)靜電紡絲防霧霾處理后，玻璃纖維紗網(wǎng)的防霧霾效果優(yōu)良，同時其透氣性和透光性等性能均良好，具備制成防霧霾紗窗的條件，可進行生產(chǎn)使用。

裁剪出兩塊1.1 m×1.1 m的玻璃纖維紗網(wǎng)，配制好紡絲溶液并設置紡絲參數(shù)，進行靜電紡絲，紡絲10 min后，取下紗網(wǎng)，修剪并去除紗網(wǎng)邊緣纖維覆蓋率不完善的部位，然后將其安裝在窗框上。將所得防霧霾紗窗安裝在施工工地旁的一空房間的窗戶上，并用同方向、同樓層的另一間布局相同的房間作為對照，對照房間的窗戶上安裝有未經(jīng)靜電紡絲處理的玻璃纖維紗網(wǎng)。觀察檢測一定時間后兩房間的顆粒物濃度，并進行對比。研究發(fā)現(xiàn)，對照房間內(nèi)空氣中和桌面上的沙塵顆粒要明顯多于安裝了防霧霾紗窗的房間，這證實了經(jīng)靜電紡絲防霧霾處理后，紗網(wǎng)的防顆粒物效果更好。

圖6 防霧霾紗窗

4 結論

本文以熱塑性聚氨酯(TPU)為溶質(zhì)，以N，N-二甲基甲酰胺為溶劑，配制質(zhì)量分數(shù)為30%的紡絲溶液并進行靜電紡絲，將纖維絲收集在玻璃纖維紗網(wǎng)上，進而制備可隔離PM 2.5的防霧霾紗窗。研究結果表明，經(jīng)靜電紡絲防霧霾處理后，所得紗窗具有良好的防霧霾效果。相較于空氣過濾器及防霧霾口罩，防霧霾紗窗更符合現(xiàn)代人對健康、環(huán)保的要求及消費能力的需求。盡管目前防霧霾紗窗的購買人群稀少，應用范圍有限，但隨著人們對這種新興環(huán)保健康產(chǎn)品接受度的逐漸提高，相信在不久的將來，防霧霾紗窗將得以廣泛應用。