活性炭PAN靜電紡膜復(fù)合濾材的酒精氣體過(guò)濾性能

嚴(yán)濤海,時(shí)雅菁,李永貴,彭建偉,陸東東

(1. 閩江學(xué)院福建省新型功能性紡織纖維及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350121；2.閩江學(xué)院服裝與藝術(shù)工程學(xué)院,福建 福州 350121；3.福建省運(yùn)動(dòng)鞋面料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建華峰新材料有限公司,福建 莆田 351164)

0 引言

當(dāng)前由于工業(yè)排放污染,導(dǎo)致部分城市出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾現(xiàn)象,空氣中充滿PM2.5對(duì)人的身體有很嚴(yán)重的危害。現(xiàn)如今人們?cè)絹?lái)越注重身體健康,當(dāng)前新房裝修導(dǎo)致室內(nèi)空氣污染如甲醛含量超標(biāo)可能引發(fā)致癌等一系列健康問(wèn)題引發(fā)人們的重視。這些空氣污染問(wèn)題使得空氣過(guò)濾材料受到眾多學(xué)者和專家的關(guān)注及青睞,過(guò)濾材料發(fā)揮著日益重要的作用,有著廣泛的的需要和巨大的發(fā)展空間。

20世紀(jì)初帝國(guó)主義國(guó)家之間的戰(zhàn)爭(zhēng)中,出現(xiàn)了在戰(zhàn)場(chǎng)中用的防毒面具使用石棉纖維織物作為過(guò)濾濾芯。在1940年代,美利堅(jiān)眾合國(guó)發(fā)明了一種空氣過(guò)濾器其內(nèi)部使用玻璃纖維織物作為過(guò)濾濾芯。到上世紀(jì)50年代,由于化工纖維行業(yè)的迅速發(fā)展出現(xiàn)了眾多新型纖維織物產(chǎn)品為過(guò)濾領(lǐng)域提供新的原材料。科學(xué)研究者發(fā)現(xiàn)無(wú)紡布與針機(jī)織布相比,無(wú)紡布的過(guò)濾性最好,不僅如此無(wú)紡布還有生產(chǎn)簡(jiǎn)單成本低產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)逐漸在過(guò)濾領(lǐng)域成為主流應(yīng)用材料。在高效過(guò)濾范疇中,納米纖維氈的過(guò)濾能力碾壓普通纖維,它只需要一個(gè)非常薄的納米纖維層,其空氣過(guò)濾性能就能大幅提高[1-2]。因?yàn)樗哂斜缺砻娣e大,孔徑小等優(yōu)點(diǎn)[3]。在1934年,Formhals發(fā)明了一種利用高壓電場(chǎng)作用力下制備聚合物納米纖維的裝置,并申請(qǐng)了專利,這是最早記載靜電紡的文獻(xiàn)。靜電紡絲利用高壓電源產(chǎn)生的高壓電場(chǎng)作用力下將聚合物噴射拉伸紡絲。靜電紡紡出來(lái)的纖維是納米級(jí)的,傳統(tǒng)方法制成的纖維一般是微米級(jí)的。前者比后者直接少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。納米級(jí)纖維具有大比表面積、孔徑小。因此納米纖維具有較強(qiáng)的吸附性和過(guò)濾性,可以用來(lái)做吸附材料和過(guò)濾材料,在生物醫(yī)療航空領(lǐng)域都有相關(guān)涉及[4]。

活性碳是一種人造碳產(chǎn)品,它的內(nèi)部有旺盛的孔隙結(jié)構(gòu)和超大的比表面積,活性炭有強(qiáng)大的吸附性[5]。已被廣泛運(yùn)用在化工、環(huán)境如污水處理等行業(yè)?；钚蕴康目讖饺莘e較大。它是一種人造碳,它由隔離空氣的有機(jī)物加熱碳化成形的,在這個(gè)過(guò)程中與氣體發(fā)生反應(yīng),表面被侵蝕,形成小孔[6-7]。它的表面上有無(wú)數(shù)微小的孔洞和巨大的比表面積(最高可以到達(dá)3000m2/g)[8-9]。這些特殊的結(jié)構(gòu)使得活性炭在空氣中具有極好的吸附性[10]?；钚蕴孔钪饕墓τ弥痪褪撬哂泻芎玫奈教匦?它能夠從氣象或者是液相中來(lái)吸附各種不具有極性的物質(zhì),有廣闊的用途[11-12]。

本文分析了機(jī)織物、針織物、無(wú)紡布三種面料的過(guò)濾性能,選擇過(guò)濾性能相對(duì)好的的面料針刺無(wú)紡布作為復(fù)合面料的基布,在基布上復(fù)合活性炭,通過(guò)改變活性炭的厚度探究其對(duì)酒精氣體吸附性能的影響。酒精氣體為有機(jī)氣體的代表,本文的研究成果將對(duì)研究其吸附其他有機(jī)毒害氣體具有借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和設(shè)備

無(wú)水乙醇,分析純,購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。聚丙烯腈(PAN),分析純,分子量10萬(wàn),購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。N,N-二甲基甲酰胺(dmf),分析純,購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司?；钚蕴抠?gòu)于天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)。YG(B)461D-Ⅱ數(shù)字式織物透氣量?jī)x購(gòu)于溫州大榮紡織儀器有限公司。HW-1808酒精測(cè)試儀購(gòu)于深圳華通天下科技有限公司。正壓防護(hù)頭套購(gòu)于福州霖美防護(hù)科技有限公司。日立TM4000Plus臺(tái)式掃描電子顯微鏡購(gòu)于日本日立公司。

1.2 活性炭厚度對(duì)透氣性影響

準(zhǔn)備好一個(gè)塑料飲料瓶,剪去底部及頂部,保留5cm上下無(wú)遮蓋的空瓶。用機(jī)織布做底部將圓柱固定,將活性炭倒入圓柱中。用數(shù)字式織物透氣量?jī)x測(cè)試不同厚度的活性炭的透氣效率。

1.3 活性炭厚度對(duì)無(wú)水乙醇過(guò)濾吸附性能影響

用針織布做成不同厚度的袋子,將活性炭裝到袋子里,將容量為100mL的燒杯中倒入80mL的無(wú)水乙醇,放置在桌面上一小時(shí),使其揮發(fā)使周圍充滿酒精氣體,用酒精測(cè)試儀測(cè)試燒杯正前方固定某一距離的酒精濃度,使用正壓防護(hù)頭套如圖1所示,測(cè)試活性炭的過(guò)濾吸附性能。

圖1 正壓防護(hù)頭套

具體方法為將其自帶的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)濾器鏈接在過(guò)濾器的送風(fēng)機(jī)上,將送風(fēng)機(jī)放置在燒杯正前方固定某一距離,開(kāi)啟送風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān),讓其工作五分鐘左右,其防護(hù)頭罩中的空氣充分交換,將酒精測(cè)試儀放到防護(hù)頭罩中測(cè)試其濃度。將自制的活性炭袋子作為過(guò)濾器固定鏈接在送風(fēng)機(jī)上,開(kāi)啟送風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān),讓其工作五分鐘左右,讓防護(hù)頭罩中的空氣與外界空氣充分交換,將酒精測(cè)試儀放到防護(hù)頭罩中測(cè)試其濃度,圖2和圖3為其測(cè)試圖。

圖2 頭套測(cè)試1

圖3 頭套測(cè)試2

為了讓防護(hù)頭罩中的殘留酒精含量清零,避免接下來(lái)測(cè)試的誤差,我們將正壓防護(hù)頭罩自帶的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)濾器鏈接在送風(fēng)機(jī),將設(shè)備放在通風(fēng)口,打開(kāi)開(kāi)關(guān),讓防護(hù)頭罩中的空氣與外面新鮮空氣充分交換,接下來(lái)再用酒精測(cè)試儀測(cè)試防護(hù)頭罩中的酒精濃度,結(jié)果為0。更換不同厚度活性炭袋子,重新倒入新的活性炭顆粒到袋子中,重復(fù)上述步驟,測(cè)試其酒精濃度,這樣就能得到不同厚度活性炭對(duì)酒精氣體的過(guò)濾吸附性能。

1.4 靜電紡絲膜的制備

使用稱量紙稱取一定質(zhì)量的PAN顆粒放入瓶中,并按實(shí)驗(yàn)需求加入N,N-二甲基甲酰胺配制溶液濃度為13%時(shí),室溫下并磁力攪拌器勻速攪拌8h,得到紡絲液用于后續(xù)的靜電紡絲實(shí)驗(yàn)。紡絲環(huán)境的溫度約為23℃、相對(duì)濕度為40%、紡絲的流量為1mL/h、施加電壓20kv、針頭到接收滾筒接收距離12mm、紡絲時(shí)間為3h。

2.5 活性炭/靜電紡膜復(fù)合濾材對(duì)無(wú)水乙醇過(guò)濾吸附性能的影響

用針織布做成不同厚度的袋子,將活性炭裝到袋子里。將容量為100mL的燒杯中倒入80mL的無(wú)水乙醇,放置在桌面上一小時(shí),使其揮發(fā)使周圍充滿酒精氣體,用酒精測(cè)試儀測(cè)試燒杯正前方固定某一距離的酒精濃度。

具體方法為將其自帶的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)濾器鏈接在過(guò)濾器的送風(fēng)機(jī)上,將送風(fēng)機(jī)放置在燒杯正前方固定某一距離,開(kāi)啟送風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān),讓其工作五分鐘左右,其防護(hù)頭罩中的空氣充分交換,將酒精測(cè)試儀放到防護(hù)頭罩中測(cè)試其濃度,取下標(biāo)準(zhǔn)過(guò)濾器,然后將靜電紡膜替換作為過(guò)濾器固定鏈接在送風(fēng)機(jī)上,開(kāi)啟送風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān),讓其工作五分鐘左右,讓防護(hù)頭罩中的空氣與外界空氣充分交換,將酒精測(cè)試儀放到防護(hù)頭罩中測(cè)試其濃度。

將活性炭與靜電紡膜貼合,變化活性炭厚度,重復(fù)上述步驟,測(cè)試防護(hù)頭罩中的酒精濃度,這樣就能得到不同活性炭厚度復(fù)合靜電紡膜對(duì)無(wú)水乙醇過(guò)濾吸附性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜電紡絲納米纖維膜分析

用電鏡觀察靜電紡膜的表面形態(tài),下圖4是放大10000倍時(shí)靜電紡絲納米纖維的表面形態(tài)?？梢钥闯?這些納米纖維的形態(tài)較好,具有比較均勻的纖維直徑分布,纖維平均直徑523.2±30。

圖4 制備的的納米纖維SEM圖

2.2 活性炭在電鏡下的狀態(tài)

用電鏡掃描活性炭,下圖5為活性炭的表面形態(tài)。這是個(gè)不規(guī)則形狀的活性炭,它的直徑大概2～3mm,表面有很多細(xì)小的孔洞。由于其表面有很多孔隙,所以其表面積巨大。

圖5 活性炭的掃描電鏡圖

2.3 活性炭厚度的透氣性

用數(shù)字式織物透氣量?jī)x測(cè)試不同厚度活性炭的透氣性,表1是活性炭厚度與其透氣性的關(guān)系。活性炭厚度越厚,其平均透氣性越低,呈線性下降趨勢(shì)。

表1 活性炭厚度與透氣率關(guān)系

2.4 活性炭厚度對(duì)無(wú)水乙醇的過(guò)濾性能

用正壓防護(hù)套測(cè)試活性炭對(duì)無(wú)水乙醇的吸附效果,表2活性炭厚度對(duì)無(wú)水乙醇過(guò)濾吸附關(guān)系是具體數(shù)值?；钚蕴烤哂休^強(qiáng)的過(guò)濾吸附性能,當(dāng)活性炭越厚,過(guò)濾吸附能力越強(qiáng),但是當(dāng)?shù)竭_(dá)一定厚度時(shí),活性炭不能完全過(guò)濾吸附酒精氣體。猜測(cè)可能是由于活性炭與活性炭之間有一定的間隙,酒精氣體可以從間隙中穿過(guò)去。

表2 活性炭厚度對(duì)無(wú)水乙醇過(guò)濾吸附關(guān)系

2.5 靜電紡膜對(duì)無(wú)水乙醇過(guò)濾吸附性能

用正壓防護(hù)套測(cè)試靜電紡膜對(duì)無(wú)水乙醇的吸附效果,表3是具體數(shù)值。靜電紡膜對(duì)無(wú)水乙醇有一定的過(guò)濾效果。

表3 靜電紡膜對(duì)無(wú)水乙醇過(guò)濾吸附性能

2.6 活性炭厚度復(fù)合靜電紡膜對(duì)無(wú)水乙醇過(guò)濾吸附性能

用正壓防護(hù)套測(cè)試活性炭復(fù)合靜電紡膜對(duì)無(wú)水乙醇的吸附效果,表4是具體數(shù)值。從表4可看出,活性炭復(fù)合靜電紡膜的過(guò)濾性能比沒(méi)有復(fù)合靜電紡膜的過(guò)濾性能大幅提高,沒(méi)有復(fù)合靜電紡膜的活性炭,仍有一部分酒精會(huì)穿過(guò)活性炭,活性炭不能完全過(guò)濾吸附酒精氣體。炭復(fù)合靜電紡膜后,其過(guò)濾吸附性能大幅提高,當(dāng)活性炭厚度超過(guò)25mm后,活性炭復(fù)合靜電紡膜可以完全過(guò)濾吸附酒精氣體。

表4 不同活性炭厚度復(fù)合氧化亞銅靜電紡膜對(duì)無(wú)水乙醇過(guò)濾吸附性能

3 結(jié)論

本文通過(guò)研究活性炭復(fù)合納米纖維氈/針刺無(wú)紡布面料,探究了活性炭復(fù)合納米纖維氈/針刺無(wú)紡布后的過(guò)濾吸附性能。選用聚丙烯腈(PAN)為原料,配制紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%,制成靜電紡納米纖維氈濾料。利用正壓防護(hù)頭罩測(cè)試過(guò)濾吸附酒精性能,活性炭復(fù)合納米纖維氈/針刺無(wú)紡布面料的過(guò)濾性能比沒(méi)有復(fù)合的過(guò)濾性能大幅提高,沒(méi)有復(fù)合納米纖維氈/針刺無(wú)紡布面料的活性炭,仍有一部分酒精氣體會(huì)穿過(guò)活性炭,活性炭不能完全過(guò)濾吸附酒精氣體。活性炭復(fù)合靜電紡膜后,其過(guò)濾吸附性能大幅提高,當(dāng)活性炭厚度超過(guò)25mm后,活性炭復(fù)合靜電紡膜可以完全過(guò)濾吸附酒精氣體。這種復(fù)合了活性炭、靜電紡膜的濾材具有完全、有效過(guò)濾有毒有害氣體的潛力。