天絲空氣濾紙的制備及其性能研究

路鎧嘉 趙傳山 李 霞 丁其軍

摘要：本研究選取打漿度為23°SR天絲纖維與闊葉木纖維為原料配抄制備濾紙，通過漿內添加發(fā)泡劑和表面涂布纖維素納米纖絲（CNF）的方法優(yōu)化濾紙的過濾性能，并對濾紙的物理及過濾性能等進行了研究。結果表明，當天絲纖維質量分數(shù)為60%時，制備的濾紙對 PM2.5的過濾效率達98.97%，過濾阻力為146.7 Pa，品質因子為0.3119 Pa1，此時濾紙過濾性能最佳。

關鍵詞：天絲纖維;空氣濾紙;納米纖維素;發(fā)泡劑;過濾性能

中圖分類號： TS767? 文獻標識碼： A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2022.02.003

Study on Preparation and Performance of Tencel Composite Air Filter Paper

LU Kaijia? ZHAOChuanshan* ??LI Xia? DING Qijun

（State Key Lab ofBio-based Materials and Green Papermaking，Qilu University of Technology（Shandong Academy ofSciences），Jinan，Shandong Province，250353）

（*E-mail：ppzcs78@163. com）

Abstract：In this study，the air filter paper was prepared using the Tencel fiber（beating degree 23°SR） as the raw material together with hardwood fiber improving the strength of air filter paper. The filtration performance of the prepared filter paper was then optimized through adding foaming agent in the pulp and coating cellulose nanofilament（CNF） on the surface and the physical and filtration performance of the air filter paper were further studied. The results showed that the air filter paper with Tencel fiber mass fraction of 60% possessed a filtration efficiency for PM2.5 of 98.97%，a decreased resistance pressure of 146.7 Pa，and a quality factor of 0.3119 Pa1，exhibiting the best filtra?tion performance.

Key words：tencel fiber; air filter paper; nanocellulose;foaming agent; filtration performance

近年來，空氣污染日益嚴重，特別是空氣中顆粒物（PM）的存在，對人體健康造成了極大的威脅，引起了公眾的廣泛關注。顆粒物的主要成分為硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物、有機碳、元素碳、鐵、鈣等化學污染物，主要來源為汽車尾氣排放、燃煤、工業(yè)排放和農業(yè)燃燒等[1-2]。PM2.5是指空氣動力學當量直徑小于2.5μm 的細顆粒物，可以在環(huán)境空氣中較長時間地懸浮，并進入人的支氣管和肺部，導致嚴重的呼吸系統(tǒng)和心血管疾病[3-4]。因此，研究并改善對PM2.5細顆粒物具有高去除率的空氣過濾材料及其性能已成為一個重要的方向。

纖維過濾式空氣過濾材料利用纖維在成形時的獨特雜亂堆積，形成復雜的纖維網絡結構，當含塵氣流通過時，細微顆粒會被纖維攔截在外，從而達到對空氣的清潔[5]。其主要的過濾機理有5種：攔截效應、慣性沉積、擴散效應、重力沉積和靜電吸附[6-8]。由于纖維過濾材料對細微顆粒的去除是上述機理共同相互作用的結果，并不是單一的疊加，因此纖維的復雜網絡結構能截留遠比其孔徑小得多的細微顆粒[9]。目前，纖維過濾式空氣過濾材料的制備方法主要有靜電紡絲和造紙濕法成形兩種[10]。Wang等人[11]通過將SiO2納米粒子加入到聚丙烯腈（PAN）電紡溶液中，制成了具有多層結構的納米纖維膜，有效地降低了纖維膜的過濾阻力，并同時提高了纖維膜的過濾效率。顧廣東等人[12]通過控制不同的電紡時間制備了不同厚度的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維膜，探究了纖維膜厚度與過濾效率的關系。Xiong等人[13]在棉漿纖維中添加羥基磷灰石超長納米線，通過濕法成形后真空抽濾制備了多孔空氣濾紙，對PM2.5的過濾效果高達95%以上，同時有較低的阻力與厚度。

造紙濕法成形是以造紙工藝為基礎，將纖維混合懸浮液通過紙頁成型器經成形、干燥等一系列處理后制得濾紙材料[14]。相較于靜電紡絲，造紙濕法成形制備的過濾材料強度較高，不易被破壞，有較穩(wěn)定的物理化學性能。不同的纖維原料與處理方法會賦予過濾材料不同的性能。因此，造紙濕法成形制備過濾材料在空氣凈化領域有廣闊的應用前景[15]。

天絲纖維是一種再生纖維素纖維，具有較高的聚合度和纖維強度，有著優(yōu)異的透氣性、吸濕性、生物可降解性等，且易于原纖化[16-17]。天絲纖維經過打漿處理后，適合抄造對透氣性能、過濾性能、強度性能有一定要求的PM2.5濾紙[18]。本研究通過對天絲纖維進行原纖化處理，探究其最佳處理程度，并與闊葉木纖維進行配抄，改善濾紙強度性能。在此基礎上，通過發(fā)泡劑與納米纖維素調控濾紙的松厚度和孔徑，并對濾紙的過濾性能、表面形貌、孔徑大小和物理性能進行了分析測試，該濾紙有望應用于PM2.5口罩或空氣濾清器中。gzslib202204041550

1 實驗

1.1 實驗原料

天絲纖維，長度5 mm，粗度1.7 Dtex，打漿度????? 11°SR，奧地利Lenzing公司;闊葉木漿板（27°SR），大連揚潤貿易有限公司;聚酰胺環(huán)氧氯丙胺樹脂（PAE），質量分數(shù)12.5%，山東同創(chuàng)化工有限公司;纖維素納米纖絲（CNF，直徑3～30 nm、長度300 nm 至幾微米），北方世紀纖維素材料有限公司;發(fā)泡劑，濟南賽沃貿易有限公司。

1.2 天絲纖維原纖化處理

取40 g 絕干天絲纖維，加水至漿濃10%，浸泡4 h后，進行PFI磨漿處理，其中磨漿機間隙為0.5 mm，轉數(shù)分別為5000、10000、15000和 20000 r，待平衡水分后測定打漿度。分別制得打漿度18°SR、23°SR、30°SR和40°SR 的原纖化天絲纖維。

1.3 天絲濾紙的制備

測定不同打漿度原纖化天絲纖維的水分，用快速凱賽法紙頁成型器抄制定量80 g/m2的天絲濾紙，成形后通過平板干燥器干燥。

1.4 濾紙原紙的制備

將天絲纖維與闊葉木纖維配抄制備濾紙原紙，其中天絲纖維的質量分數(shù)分別為0、20%、40%、60%、80%、100%，并加入相對混合纖維絕干質量1%的? PAE，用快速凱賽法紙頁成型器分別抄制定量80 g/m2 的濾紙原紙，成形后通過平板干燥器干燥。

1.5 濾紙的制備

將天絲纖維與闊葉木纖維配抄，其中天絲纖維的質量分數(shù)分別為0、20%、40%、60%、80%、100%，并加入相對混合纖維絕干質量1%的 PAE 和2%的發(fā)泡劑，制備定量80 g/m2的濾紙原紙。室溫干燥后通過涂布機（XB320D，廈門欣科瑞機械科技有限公司）涂布質量分數(shù)為2%的 CNF，室溫干燥后，在烘箱中105℃發(fā)泡1 min，制得濾紙。

1.6 測試與表征

采用生物光學顯微鏡（XSP-7CP，上海光密儀器有限公司）分析不同原纖化程度的天絲纖維的纖維形態(tài);采用紙張厚度測定儀（ZHD-4，上海精密儀器有限公司）測定濾紙的厚度，并計算松厚度;采用透氣性檢測儀（FX-3300，瑞士TEXTEST公司）在500 Pa 壓力下檢測濾紙的透氣性;采用掃描電子顯微鏡（SEM，Quanta 200，日本FEI公司）分析濾紙的表面微觀形貌;采用抗張強度測定儀（ZL-100A，大連紙張試驗儀器廠）檢測濾紙的抗張指數(shù)和濕抗張指數(shù);采用過濾效率試驗臺（KZXL-01，沈陽紫微恒檢測設備有限公司）在32 L/min 的流量下檢測濾紙的過濾效率與阻力;采用壓汞儀（AutoporeⅣ9500 V9620，美國麥克公司）分析濾紙的孔徑分布。

2 結果與討論

2.1 天絲纖維形態(tài)分析

天絲纖維極易原纖化，因其具有獨特的皮芯層結構，當被水浸潤一定時間后皮層軟化，在機械外力作用下，皮層被破壞，因為芯層的原纖之間聯(lián)系較弱，于是發(fā)生剝離，得到原纖化天絲纖維[19]。

制備不同原纖化程度天絲纖維的纖維形態(tài)如圖1所示。由圖1可知，未經打漿的天絲纖維表面光滑且圓潤，未見任何分支，若直接抄紙，僅靠纖維簡單搭接在一起，成形的紙張強度性能差，難以充當濾紙材料。經過打漿處理的天絲纖維表面出現(xiàn)細小分支，且隨著打漿度的提升，纖維分絲帚化越來越明顯，纖維表面暴露出的羥基越多，使氫鍵結合越多，纖維之間的結合也越緊密。這樣纖維抄造的濾紙強度性能好，且孔徑尺寸更小，有利于提高濾紙的過濾效率。

2.2 打漿度對天絲濾紙過濾性能的影響

透氣度是空氣過濾材料的重要性能指標之一，同時也間接反應過濾效率的高低。不同打漿度的天絲濾紙的透氣度如圖2所示。由圖2可以看出，隨著打漿度的升高，天絲濾紙的透氣度不斷下降。其中未經打漿處理的天絲濾紙因其光滑的纖維之間結合力較小，濾紙的孔徑較大，所以透氣度較高，達3220 L/（m2·s）。而經過打漿處理的天絲濾紙中，在打漿度到23°SR前透氣度急劇下降，18°SR 和23°SR 的天絲濾紙透氣度分別為1580和485 L/（m2·s）;30°SR 和40°SR 的天絲濾紙透氣度下降幅度較小分別為153和 51.2 L/（m2·s）。這是因為隨著打漿度的提升，天絲纖維的分絲帚化越來越明顯，纖維之間相互交叉纏繞，形成了復雜的纖維網絡，減小了纖維之間孔隙的大小，使濾紙的透氣度逐漸下降。

過濾效率和過濾阻力是測評過濾材料過濾性能最重要的2個指標，所以在追求高效率的同時，也要求盡可能地降低材料的阻力。不同打漿度天絲濾紙的過濾效率與阻力如圖3（a）所示。由圖3（a）可知，隨著打漿度的提升，天絲濾紙的過濾效率與過濾阻力都隨之升高。其中未經處理的天絲濾紙阻力極低，僅85.3 Pa，但其相應的PM2.5過濾效率也較低，僅50.23%;而經原纖化處理的打漿度分別為18°SR、23°SR、30°SR 和40°SR 的天絲濾紙過濾效率分別為62.36%、70.21%、75.41%和 78.63%，過濾阻力分別為100.6、120.4、154.7和170.2 Pa。這是因為高打漿度的天絲纖維分絲帚化程度更高，形成的纖維網絡更加致密，提高了濾紙的過濾效率，同時也加大了過濾阻力。

品質因子（QF ，Pa1）是綜合測評濾紙過濾效率與過濾阻力的1個指標，通常來說，品質因子的數(shù)值越大，表明濾紙的過濾性能越好[20]。見式（1）。

式中，ΔP 是濾紙的過濾阻力;η是濾紙的過濾效率。

不同打漿度的天絲濾紙的品質因子如圖3（b）所示。從圖3（b）可以看出，當天絲纖維打漿度為23°SR 時天絲濾紙的過濾性能最佳，因此選取打漿度23°SR 的天絲纖維與闊葉木纖維配抄進行后續(xù)實驗。gzslib202204041550

2.3 濾紙過濾性能分析

天絲纖維與闊葉木纖維以不同比例配抄，所制濾紙原紙的過濾效率與過濾阻力如圖4（a）所示。由圖4（a）可知，隨著天絲纖維質量分數(shù)的上升，濾紙原紙對 PM2.5的過濾效率與阻力均有所下降。這是因為闊葉木纖維短且細，纖維之間互相交錯且結合緊密，形成的纖維網絡更密集，孔隙更小。當天絲纖維質量分數(shù)為0時，濾紙原紙對 PM2.5的過濾效率最高，達88.56%，但同時具有335.5 Pa 的高過濾阻力。天絲纖維的加入降低了濾紙原紙的過濾阻力，但同時犧牲了高過濾效率。通過品質因子綜合測評配抄濾紙原紙的過濾性能，如圖4（c）所示。從圖4（c）可以明顯看出，當天絲纖維質量分數(shù)為60%時，濾紙原紙具有最佳的過濾性能，其品質因子為0.0106 Pa1，過濾效率為83.67%，過濾阻力為170.2 Pa。

為了提高濾紙原紙的過濾效率，同時降低其過濾阻力，通過表面涂布 CNF 和添加發(fā)泡劑制備濾紙，濾紙的過濾效率與過濾阻力如圖4（b）所示。由圖4（b）可知，與濾紙原紙的趨勢相同，濾紙的過濾效率與阻力隨天絲纖維質量分數(shù)的升高均有所下降。但濾紙的過濾效率較濾紙原紙均有所提升，同時，其過濾阻力也有所下降，達到了理想的處理效果。這是因為濾紙表面涂布的納米纖維素填補了其表面的一些較大孔隙，當含塵氣流通過濾紙時，粒徑較大的顆粒物無法通過濾紙的孔隙，就像篩子一樣被纖維直接截留，從而提高了濾紙的過濾效率[21]。同時，濾紙漿內添加的發(fā)泡劑能使對象物質成孔，其經過加熱后通過壓縮氣體的膨脹，可使纖維內部結構變得蓬松，增加濾紙的松厚度，從而降低濾紙的過濾阻力。并且更加復雜的纖維網絡結構使纖維無序堆疊產生的彎折孔道增加，含塵氣流在通過濾紙內部時，在彎折孔道作用下不斷改變其氣流流動軌跡，其中一些細微顆粒因其自身慣性作用脫離氣流而被纖維捕獲，從而提升了濾紙對 PM2.5的過濾效率。通過圖4（d）可看出，天絲纖維質量分數(shù)為60%的濾紙品質因子值最高，達到了0.0312 Pa1，其對 PM2.5的過濾效率為98.97%，過濾阻力為146.7 Pa，擁有最佳的過濾性能。

2.4 微觀形貌分析

使用 SEM 對天絲纖維質量分數(shù)60%的濾紙原紙和濾紙進行了表面與截面的形貌表征，如圖5所示。由圖5可知，濾紙原紙表面天絲纖維與闊葉木纖維纏繞堆積形成的纖維網絡孔隙較大，不利于表面攔截細小顆粒物;相比較而言，涂布質量分數(shù)2% CNF 的濾紙表面，CNF填補了纖維之間的較大孔隙，提高了濾紙表面攔截細小顆粒物的能力，進而提升了其過濾效率。未經發(fā)泡的濾紙原紙的截面結構較為緊致，阻力較大;而發(fā)泡后的濾紙截面，可明顯看出其結構更加蓬松，松厚度更大，因此優(yōu)化了濾紙的過濾性能。

2.5 孔隙分析

天絲纖維質量分數(shù)60%的濾紙原紙和濾紙的孔徑分布如圖6所示。由圖6可知，濾紙原紙的孔徑主要分布在25～50μm，占比42.97%，10μm 以內的孔徑占比僅為8.23%;相比較而言，濾紙的孔徑主要分布在10～25μm，占比為48.46%，10μm 以內的孔徑占比為16.37%，幾乎是濾紙原紙的2倍?？讖酱笮∈菫V紙過濾性能的間接反映指標;一般來說，孔徑越小，則其過濾效率越高。濾紙因其表面涂布的納米纖維素填補了一些較大的孔隙，因此具有更低的孔徑，過濾效率也更高。濾紙原紙和濾紙的孔徑特征如表1所示，濾紙原紙的平均孔徑31.24μm，孔隙率73.35%;而濾紙的平均孔徑僅有12.83μm，且具有較高的孔隙率80.78%。因其經過發(fā)泡后，纖維內部結構蓬松，孔隙增多，具有更好的過濾性能。

2.6 物理性能分析

抗張指數(shù)與濕抗張指數(shù)表示紙張在干燥和濕潤情況下的強度性能，主要由纖維本身的強度與纖維之間的結合強度決定。圖7（a）和圖7（b）分別為不同天絲纖維質量分數(shù)的濾紙原紙和濾紙抗張強度。從圖7（a）和圖7（b）中可以看出，闊葉木纖維的添加有效增加了濾紙原紙的強度，因其纖維間的結合更加緊密，隨著天絲纖維質量的提高，濾紙的抗張指數(shù)與濕抗張指數(shù)均有明顯下降。對比兩者，濾紙的抗張強度和濕抗張強度都高于濾紙原紙，這是因為納米纖維素作為涂料改善了濾紙的強度[22-24]。圖7（c）為不同天絲纖維質量分數(shù)的濾紙原紙和濾紙的松厚度，發(fā)泡后的濾紙顯然松厚度更大，因此擁有更好的過濾性能。

3 結論

本研究以天絲纖維和闊葉木纖維為原料，添加發(fā)泡劑和涂布纖維素納米纖絲（CNF），制備用于過濾 PM 2.5的空氣濾紙，并研究了其性能。

3.1 天絲纖維經過原纖化處理后，當其打漿度為23°SR 時，通過造紙濕法成形制備而成的天絲濾紙具有 485 L/（m2·s）的透氣度和最優(yōu)的過濾性能，可用于抄造PM2.5空氣濾紙。

3.2 通過天絲纖維與闊葉木纖維配抄提升了濾紙的強度，當天絲纖維質量分數(shù)為60%時，濾紙原紙對 PM2.5的過濾效率為83.67%，過濾阻力為170.2 Pa，品質因子為0.0106 Pa1，擁有較好的過濾性能。

3.3 通過漿內添加發(fā)泡劑和表面涂布 CNF 增加了濾紙的物理性能，且其物理性能高于濾紙原紙的，減小了濾紙的孔徑，優(yōu)化了濾紙的過濾性能。當天絲纖維質量分數(shù)為60%時，濾紙對 PM2.5的過濾效率為98.97%，過濾阻力為 146.7 Pa，品質因子為 0.0312 Pa1，過濾性能最佳。

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