芳綸納米纖維氈/聚苯硫醚高溫超過濾材料的制備及其性能

王 成，姚理榮，陳宇岳

(1.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院紡織學(xué)院，浙江寧波 315100;2.蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇蘇州 215021;3.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，江蘇南通 226019)

我國當(dāng)前正處于經(jīng)濟發(fā)展的重要轉(zhuǎn)型期，對于傳統(tǒng)高能耗、高污染行業(yè)帶來的環(huán)境污染問題越來越重視。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，鋼鐵、水泥、冶金、化工、電力以及垃圾焚燒等高污染行業(yè)帶來的經(jīng)濟損失每年超過1 000億元人民幣，其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙霧粉塵對人體健康危害巨大，所以對煙霧粉塵過濾材料的開發(fā)研究顯得尤為重要。過濾材料按其使用溫度可分為常溫過濾材料(使用溫度低于150℃)、高溫過濾材料(使用溫度介于150～300℃之間)和超高溫過濾材料(使用溫度高于300℃)［1］。常溫過濾材料通常使用各種常見天然或是合成纖維材料，超高溫過濾材料主要是選用無機材料以適應(yīng)超高溫環(huán)境，高溫過濾材料主要是選用高性能纖維，包括PPS、芳綸、PTFE 和 P84等［2-4］。過濾材料除滿足一定的使用條件(如強度、溫度、酸堿)外，過濾效率和壓降是2個最重要的考慮因素［5］。普通過濾材料因其自身性能的限制，對超微粒子(粒徑小于1 μm)的過濾性能很難在高溫高效上得到兼顧，而這種超微粒子可直接穿透人體細胞，對環(huán)境和人體危害較常見粉塵更甚［6-8］。本文通過高壓靜電紡絲技術(shù)制備納米芳綸纖維氈，與PPS針刺非織造布復(fù)合后對粒徑低于1 μm的超微粉塵具有優(yōu)異的過濾性能，從而為制備高溫高效過濾材料提供新的技術(shù)參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

間位芳綸纖維(Ar，杜邦中國集團有限公司)，聚苯硫醚針刺非織造布(PPS，南通新綠葉非織造布有限公司，厚度為0.67 mm)，N-二甲基乙酰胺(DMAc，國藥集團化學(xué)試劑有限公司，分析純)，無水氯化鋰(LiCl，上海巨楓化學(xué)科技有限公司，分析純)。

1.2 芳綸溶液制備

間位芳綸纖維于120℃下真空干燥2 h，配制一定濃度的DMAc/LiCl溶液，將一定質(zhì)量的烘干后芳綸纖維浸漬于其中，在100℃恒溫下磁力攪拌至形成透明淡黃色溶液。

1.3 納米芳綸/PPS復(fù)合氈制備

靜電紡絲裝置如圖1所示。將PPS針刺纖維氈裁剪成尺寸為20cm×20cm的方形樣品，剪去纖維氈表面過長的纖維，然后置于接收臺上，纖維氈與接收臺之間用雙面膠固定。將配制好的間位芳綸溶液注入注射器中，注射器針頭內(nèi)徑為0.5 mm，紡絲液流量為1 mL/h，接收距離為20cm，紡絲電壓為22 kV。

圖1 靜電紡絲裝置Fig.1 Electrospinning set-up

控制紡絲時間制備不同厚度的芳綸納米纖維膜。用測厚儀分別測試PPS非織造布和芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈的厚度，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯季]納米纖維氈厚度隨靜電紡絲時間的增加而不斷增加，按紡絲時間1、2、3、4、5 h分別制備5 個樣品 Ar-1、Ar-2、Ar-3、Ar-4、Ar-5。

圖2 芳綸納米纖維膜厚度與紡絲時間關(guān)系Fig.2 Relationship between thickness of nanofiber membrane and electrospinning time

1.4 測試儀器及方法

1.4.1 微觀結(jié)構(gòu)觀察

儀器為S-570型掃描電子顯微鏡。測試條件：電壓為1 kV，電流為8 mA，噴金處理后觀察。

1.4.2 熱分析

儀器為PE公司產(chǎn)Diamond TG-DTA型熱分析儀。測試條件：升溫速度為10℃/min，掃描溫度范圍為室溫至600℃，N2氣氛，流量為20 mL/min。

1.4.3 強度測試

納米芳綸纖維非織造布的力學(xué)性能測試參考文獻［1］。采用日本KES-G1型織物張力儀，非織造布厚度為0.02～0.2 mm，長×寬為50 mm×10 mm，拉伸速率為100 mm/min。

1.4.4 過濾效率測試

采用美國TSI 8130型自動濾料檢測儀。測試條件為：測試氣凝膠，NaCl;樣品直徑11.29cm;氣流速度32.0 L/min;樣品表面流速5.34cm/s;壓力994.8 hPa;溫度26.5℃;相對濕度34.5%。測試時，PPS非織造布為2層疊加，復(fù)合氈為PPS/芳綸納米纖維/PPS三明治結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果分析

2.1 芳綸納米纖維的熱性能

圖3 示出芳綸纖維和芳綸納米纖維的熱失重曲線。2種纖維在100℃的失重過程主要是纖維中的水分和殘余溶劑揮發(fā)。其中，芳綸纖維在426℃附近出現(xiàn)1個明顯的失重過程，這主要是因芳綸纖維大分子的熱降解引起的;而芳綸納米纖維有2個熱失重過程，分別出現(xiàn)在166℃和486℃附近。芳綸纖維在熱降解前隨溫度升高其質(zhì)量幾乎沒有損失，表明芳綸纖維具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，而芳綸納米纖維熱失重特征明顯區(qū)別于芳綸纖維，隨溫度升高芳綸納米纖維質(zhì)量逐漸減少。使芳綸納米纖維熱性能降低的原因主要有2個：一是芳綸納米纖維中大分子主要為無定形結(jié)構(gòu);二是納米纖維中鹵化鹽LiCl的存在使纖維在高溫條件下耐熱性能降低。

圖3 芳綸納米纖維熱分析曲線Fig.3 TG curves of meta-aramid nanofibers

2.2 溫度對芳綸納米纖維形貌的影響

圖4 為經(jīng)不同溫度處理后芳綸納米纖維的微觀形貌照片。當(dāng)芳綸溶液質(zhì)量分數(shù)為11%時［9-10］，靜電紡制得的納米纖維氈力學(xué)性能較優(yōu)，因此本文選用相同工藝條件制備芳綸納米纖維氈，并將纖維氈于不同溫度下處理一定時間后觀察其形貌與性能變化。由圖可看出，未經(jīng)熱處理的芳綸納米纖維表面較光滑，隨著處理溫度的升高，納米纖維表面出現(xiàn)剝蝕和纖維變細的跡象，這是由于納米纖維中殘存溶劑、小分子在高溫下不斷揮發(fā);另外，在高溫下鹵化鹽LiCl可能使芳綸纖維大分子不斷降解，從而出現(xiàn)剝蝕和質(zhì)量損失。

圖4 不同溫度條件下芳綸納米纖維的微觀形貌(×10 000)Fig.4 Morphology images of meta-aramid nanofibers at different temperatures(×10 000).(a)Untreated;(b)Treated for 7 d at 150℃;(c)Treated for 7 d at 200℃;(d)Treated for 7 d at 250℃

2.3 溫度對芳綸納米纖維氈強度的影響

圖5 示出芳綸納米纖維氈經(jīng)不同溫度處理后其斷裂強度和伸長率的變化情況。圖中顯示隨著處理溫度的升高，芳綸納米纖維氈的斷裂強度和斷裂伸長率有所下降。但由于復(fù)合氈采用PPS/芳綸納米纖維/PPS三明治結(jié)構(gòu)，雙面的PPS纖維氈起到支撐和降溫的作用，當(dāng)帶有高溫粉塵的氣體通過PPS纖維氈到達芳綸納米纖維氈后其溫度會明顯降低，這種三明治結(jié)構(gòu)將有效地保護納米芳綸纖維氈的使用性能。

圖5 不同溫度下芳綸納米纖維氈的力學(xué)性能(Ar-2樣品，不同溫度下熱處理7 d)Fig.5 Mechanical properties of meta-aramid nanofiber mats(Ar-2 sample at different temperatures for 7 d)

2.4 芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈過濾性能

圖6 示出芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈的過濾性能情況。由圖可看出，普通PPS針刺非織造布對粒徑位于0.1～0.6 μm之間超微粒子過濾效率低于70%，對粒徑為0.3 μm左右微粒的過濾效率甚至低于40%。而使用芳綸納米纖維氈后，復(fù)合氈對粒徑在0.1～0.6 μm之間超微粒子過濾效率都達到99.9%，顯示出對超微粒子優(yōu)異的過濾性能。PPS針刺非織造布對超微粒子過濾效率較低的原因是因為普通PPS纖維直徑過大，通常超過10 μm，制成氈后纖維之間的孔徑過大，當(dāng)粉塵粒徑小于其孔徑時可以直接穿過纖維氈，從而無法實現(xiàn)過濾。納米纖維氈的優(yōu)點是比普通纖維氈具有更小的孔徑分布和高孔隙率，對超微粒子具有良好的分離、過濾性能。同時，納米纖維和普通PPS纖維中不同尺寸纖維和孔徑分布形成有效的梯度結(jié)構(gòu)，可對不同粒徑粉塵選擇性過濾。由圖還可看出，芳綸納米纖維氈厚度對超微粒子的過濾效率影響不大，因此，納米纖維氈的使用也可有效地節(jié)省材料。

圖6 芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈的過濾性能Fig.6 Filter efficiency of nano-aramid/PPS composite mats

2.5 芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈壓降

圖7 示出芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈過濾時的壓降特性。由上述分析得出，芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈比PPS纖維氈具有更高的過濾效率，但在纖維氈過濾性能中，過濾效率不是唯一的影響因素，另一個重要的影響因子是壓降，即帶有粉塵氣體經(jīng)過濾材料前后的壓力差，壓降是過濾材料使用過程中能耗的重要指標。圖7顯示，PPS針刺非織造布壓降較小，而隨著芳綸納米纖維氈厚度的增加復(fù)合氈的壓降不斷增大。影響纖維氈過濾材料壓降的因素主要有纖維尺寸、孔徑大小和纖維氈厚度等，芳綸納米纖維氈中纖維直徑和孔徑明顯小于PPS纖維氈，從而在過濾時產(chǎn)生更高的阻力。另外，PPS纖維氈對超微粒子過濾效率低，很多粒子直接穿過纖維氈，而芳綸納米纖維氈將超過99.9%的超微粒子截留在纖維氈表面或是纖維氈中，這些粒子對納米纖維氈中的孔徑形成阻塞，也增加了濾材的阻力。

圖7 芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈的壓降Fig.7 Pressure drop of nano-aramid/PPS composite mats

3 結(jié)論

1)以DMAc/LiCl溶解間位芳綸纖維，采用高壓靜電紡絲法可制備直徑為100～500 nm的纖維氈。芳綸納米纖維氈具有良好的耐熱和力學(xué)性能。

2)芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈對粒徑位于0.1～0.6 μm之間超微粒子過濾效率達到99.9%，明顯高于普通PPS纖維氈70%以下的過濾效率。

3)芳綸納米纖維/PPS復(fù)合氈過濾時壓降隨芳綸納米纖維氈厚度的增加而不斷增大，因此，可根據(jù)需要選擇較薄的芳綸納米纖維氈。

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