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1、第 30 卷 第 9 期2011 年 9 月实验室研究与探索RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYVol 30 No9Sep 2011复合高效空气过滤非织造材料的制备及其性能石小丽1，潘倩倩2(1 苏州大学 材料与化学化工学部实验中心，江苏 苏州 215123;2 阿特斯阳光电力科技有限公司，江苏 常熟 215500)摘要:为提高普通非织造布的空气过滤性能，将聚苯乙烯(质量百分数 20%)与聚杂环联苯芳醚砜酮(80%)溶解在二甲基乙酰胺溶剂中，配成总浓度为 15%的纺丝液。用引发剂和乳液预浸渍处理的聚酯非织造布为接受屏，在一定纺丝条件下，将纺丝液通过静电纺
2、丝方法在其表面沉积一层电纺超细纤维膜，然后进行高温处理，最终形成复合过滤材料。用扫描电镜分析了电纺纤维层的形貌以及黏结性，用激光尘埃粒子计数器测定了过滤特性。结果显示:电纺纤维直径只有数 m，原位乳液聚合改善了两纤维材料间的黏结作用，使普通无纺布空气过滤效率从 20%提高到大于 95%。关键词:静电纺丝;非织造布;空气过滤中图分类号:TU 834 8;TS 17文献标志码:A文章编号:1006 7167(2011)09 0035 04Preparation and Properties of Tier Composite Nonwovensfor High Efficiency Air Fil
3、trationSHI Xiao-li1，PAN Qian-qian2(1 Exprimental Center of College of Chemistry，Chemical Engineering and Materials Science，Soochow University，Suzhou 215123，China;2 Canadian Solar Inc，Changshu 215500，China)Abstract:A novel tier composite nonwoven material was prepared by solution electrostatic deposi
4、ting of ultrafine fibersof poly(phthalazinone ether sulfone ketone)(PPESK)modified by polystyrene onto conventional polyester nonwoven inorder to improve the air filtration of conventional nonwoven fabrics The air filtration efficiency was increased from 20%for the virgin nonwoven to over 95%for the
5、 tier composite one with the laser particle counter The images from scanningelectron microscope indicate that the diameters of electrospun fibers are only several micrometers and the interfacialadhesion between the two fiber layers is enhanced much by using in-situ emulsion polymerization and both o
6、f them areendowed with good air filtration propertiesKey words:electrospinning;nonwoven;air filtration收稿日期:2011 02 22作者简介:石小丽(1972 )，女，江苏如皋人，实验师，现从事无机非金属材料、材料化学方向的实验教学和科研工作。Tel:0512-65880965;E-mail:shixiaoli suda edu cn0引言静电纺丝技术是一种制备超细纤维的重要方法，成本低廉、简单易行，该技术起源于 20 世纪 30 年代1。静电纺丝的工作原理是在聚合物溶液或熔体上加载高压静电，
7、通过静电力牵引制备超细纤维2。超细电纺纤维具有高的比表面积和大量的净电荷3，可显著地提高过滤材料的微粒捕获效率4-8。随着人们对大气环境与室内空气质量的日益重视，环境标准日趋严格。近年来，各类高效空气过滤材料取得了很大进展。高效空气过滤材料具有过滤效率高、气流阻力小、机械强度大和均匀性好等特点，能满足特定行业对空气过滤材料特殊功能需求的滤材9-11。表 1 列出了三种驻极体空气过滤材料的过滤性能。由于熔喷法纤维直径相对较低12，所以，熔喷聚丙烯的过滤效率是纺黏法的 3 倍多。电纺聚环氧乙烷纤维的比表面积大、面密度低，所以过滤效率特别优异。本实验是通过静电纺丝方法在涤纶针刺非织造布表面沉积超细纤
8、维，从而形成层状复合非织造过滤材实验室研究与探索第 30 卷料，并应用于空气过滤性能研究。表 1驻极体空气过滤材料的性能9 材料驻极方法面密度/(gm2)过滤效率/%聚丙烯纺黏电晕放电3426聚丙烯熔喷电晕放电3484聚环氧乙烷静电纺丝10971实验原理传统的机械型空气过滤材料仅仅依赖于机械阻挡作用，即通过对气流中的粉尘微粒的拦截作用进行过滤，因此只有当过滤纤维材料十分纤细且处于夯实状态时，才能高效地捕获微细粉尘，这样就会导致空气过滤材料的高阻力。驻极体空气过滤材料利用纤维材料本身带电，利用对带电粉尘静电吸引作用而捕获粉尘。驻电纤维能以极低的密度形成疏散和开放式的结构，表现出低流阻，同时还具有
9、较高的过滤效率。在静电纺丝过程中，当施加的直流电压足够克服聚合物流体表面张力时，聚合物流体则从纺丝管射出、在电场受到牵伸，最终在接受屏表面沉积，形成超细纤维非织造布(见图 1)。电纺过程在纤维表面自然驻电而储存大量的静电荷。Lovera 等在 40 kV 静电压制得平均直径在 3 4 m 的聚苯乙烯电纺纤维膜，电纺膜在储存1 h 后，纤维表面平均电势仍达616 V3。这种现象有利于制备空气过滤材料。但是，电纺纤维膜强度低，且制备高面密度的电纺膜缺乏经济性，所以选用普通涤纶非织造布作为增强层。采用原位乳液聚合方法改善电纺膜与涤纶布之间的粘结作用。图 1静电纺丝装置图2实验部分2 1实验材料与仪器
10、聚苯乙烯，黏均相对分子质量约 6 105g/mol。杂环联苯聚芳醚砜酮(PPESK)重均相对分子质量约3 104g/mol(大连宝力摩新材料有限公司)。涤纶针刺非织造布，面密度 150 g/m2(市售)。溶剂丙酮和N，N-二甲基乙酰胺，均为化学纯。丙烯酸丁酯与苯乙烯，化学纯(使用前减压蒸馏)。静电纺丝系统(包括高压直流电源 0 50 kV;注射泵流量 0 01 10 mL/h;铝箔接受屏);扫描电镜(HITACHI S-570 型);数码照相机(Nikon，COOLPIX3100 型);激光尘埃粒子计数器(苏州百神科技有限公司产);干燥器;烘箱;若干块玻璃片(150 mm 150 mm);胶带
11、。2 2实验过程与测试13(1)涤纶非织造布预处理。将涤纶无纺布(10 cm10 cm)浸泡在浓度为 5%的引发剂过氧化二苯甲酰(BPO)/丙酮溶液中，1 h 后取出，待布上丙酮挥发完全后再进行下一步处理。分别量取 25 mL 苯乙烯，25 mL丙烯酸丁酯，5 mL Span-80 和 50 mL 无水乙醇，充分搅拌混合。把用 BPO 处理过的无纺布浸泡在该混合溶液中 1 h 后取出，静置 0 5 h。(2)静电纺丝。配制 PS 质量百分含量为 20%的PPESK/PS 共混纺丝液，浓度为 15%，DMAc 为溶剂。把上述预处理的涤纶非织造布附在铝箔收集屏，然后纺丝。将电源导线引入载有纺丝溶液
12、的带喷头的注射器中，喷头与接受屏之间的距离为 15 cm 左右，纺丝电压的调节范围为 0 20 kV。当纺丝液滴受到的电场力足以克服溶液表面张力时，从喷头尖端喷出形成细流，同时溶剂挥发，在收集屏上收集到复合超细纤维非织造布。(3)复合非织造布后处理。将上述复合非织造布从铝箔取下，置于干净玻璃片上，然后覆盖另一片玻璃，四周用胶带密封，再在 90 烘箱中热处理 4 h，取出待用。(4)复合过滤材料的结构与空气过滤性能。分别用数码照相机与扫描电镜测定复合膜的微观结构;用激光尘埃粒子计数器测定纯涤纶非织造布和复合非织造布的空气过滤性能。3实验结果与讨论本实验选用市场常见的涤纶非织造材料为基材，同时选择
13、了具有良好物理力学性能膜原料 聚杂环聚醚砜酮作为主要电纺原料(也可选用其他驻电性能好的聚合物材料)，辅以聚苯乙烯以便改善其电纺性。图 2 给出了静电纺丝后复合滤布表面结构的光学照片。电纺膜表层极其致密。据文献资料报道3-15，图 2电纺复合非织造滤布的表面结构63第 9 期石小丽，等:复合高效空气过滤非织造材料的制备及其性能电纺膜的微孔尺寸和纤维直径都很小。图3 给出了在 90下经4 h 处理的复合滤布的表面结构的照片。经高温处理后，电纺膜变成了透明的纤维膜，使涤纶非织造布的纹理结构完全显露出来。同时表明:电纺纤维膜与涤纶非织造布之间不存在起皱、脱落现象，显示优异的界面黏结作用。这主要是由于涤
14、纶布预先在自由基引发剂溶液中浸泡处理过，其目的使引发剂渗透到纤维内部以及吸附纤维表面。当纤维与丙烯酸丁酯和苯乙烯混合乳液接触后，在高温下引发自由基聚合反应，乳液中的苯乙烯组分会在电纺膜的聚苯乙烯相中吸附溶胀与聚合，丙烯酸丁酯可在涤纶表面溶胀和聚合，同时，由于丙烯酸丁酯可与苯乙烯发生无规共聚反应。最终，电纺纤维膜、新生成苯乙烯-丙烯酸丁酯共聚物和涤纶布表现出优异的界面黏结性。图 4 给出了电纺膜与涤纶布之间的界面黏结状况。由此可见，普通涤纶无纺布的纤维直径很大，高达 15 20 m，而电纺纤维仍难以分辨。其次，在涤纶布中确实已经填充了部分丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物以及电纺纤维(图中难以区分出电纺纤
15、维和共聚物)。图 5 给出了经高温处理后电纺膜/非织造布复合滤布的表面微观结构。由图可见，电纺纤维直径在 34 m，丙烯酸丁酯-苯乙烯共聚物的颗粒尺寸远小于1 m，并紧密吸附在电纺纤维的表面以及两层纤维膜之间。应该说，部分共聚物吸附到电纺纤维的内部。图 6 给出了组成相同的 PPESK/PS 共混液的电纺纤维膜，比较图 5 与 6 中的纤维可以发现，两种纤维的外观结构明显不同，主要是由于图 5 中的电纺纤维吸附了共聚物的缘故。而在图 4 中，无法看到电纺纤维形态的主要原因是:一方面，在样品制备时，由于涤纶布中纤维强度很大，截取样品时使用较大的外力，这对电纺纤维造成明显的挤压作用，出现纤维间的融
16、合;另一方面，电纺纤维中的溶剂存在和高温处理使电纺纤维溶解，进而也使纤维形态消失。由于电纺纤维的比表面积大、纤维表面带有大量的静电，静电排斥作用致使纤维之间堆积密度较低，这些优异性能潜在促使这种非织造材料可用于过滤材料。图 7 给出了几种膜材料的空气过滤性能。过滤效率是指使用过滤材料与无过滤材料情况下对 6 种不同尺寸颗粒的截留特性比值16。过滤效率越高，表明经过滤处理后，空气中尘埃越少。单层无纺布指涤纶非织造布基材，其空气过滤效率大约在 20%;而用两层涤纶非织造布复合时，空气过滤效率在 50%60%，过滤效率显著提高;当两层涤纶非织造布与电纺膜简单层合时，空气过滤效率大于 80%。可见，通
17、过涤纶无纺布简单层合可提高空气过滤效率。而当使用本文73实验室研究与探索第 30 卷原位形成的电纺膜/涤纶非织造布复合滤布进行过滤时，空气过滤效率达到 95%99%。过滤效率显著提高与电纺纤维的特性是密不可分的。4结语基于静电纺丝技术，制备了电纺纤维膜/普通非织造布复合过滤材料。采用乳液方法有效地改善两种纤维材料之间的黏结性。空气过滤性能表明:电纺纤维膜的显著地改善了普通非织造材料的空气过滤效率。参考文献(References):1Formhals A Process and apparatus for preparing artificial threadsP US:USP1975504 1
18、9342Huang Z M，Zhang Y Z，Kotaki M，et al A review on polymernanofibers by electrospinning and their application in nanocompositesJ Comp Sci Tech，2003，63:2223-22533Lovera D，Bilbao C，Schreier P，et al Charge storage of electrospunfiber mats of poly(phenylene ether)/polystyrene blends J PolymEng Sci，2009，
19、49:2430-24394Ramkumar S，Love A，Sata U，et al Next-generation nonparticulatedry nonwoven pad for chemical warfare agent decontamination JInd Eng Chem Res，2008，47(24):9889-98955Qin X H，Wang S YFiltration properties of electrospinningnanofibersJ J Appl Polym Sci，2006，102:1285-12906Wang X F，Chen X M，Yoon
20、 K，et al High flux filtration mediumbased on nanofibrous substrate with hydrophilic nanocompositecoating J Environ Sci Tech，2005，39(19):7684-76917Yoon K，Kim K，Wang X F，et alHigh flux ultrafiltrationmembranes based on electrospun nanofibrous PAN scaffolds andchitosan coatingJ Polymer，2006，47(7):2434-
21、24418Wang X F，Fang D F，Yoon K，et alHigh performanceultrafiltration composite membranes based on poly(vinyl alcohol)hydrogel coating on crosslinked nanofibrous poly(vinyl alcohol)scaffold J J Membr Sci，2006，278(1-2):261-2689谢小军，黄翔，狄育慧 驻极体空气过滤材料静电驻极方法初探 J 洁净与空调技术，2005(2):41-44 10 杨荆泉，田涛 驻极体过滤材料及其在空气净化
22、领域的应用 J 环境与健康杂志，2009，26(8):743-745 11 刘来红，朱玲英 高效空气过滤材料的发展与特点J 产业用纺织品，2005(4):6-8 12 柯勤飞，靳向煜 非织造学M 上海:东华大学出版社，2004:227-293 13 潘倩倩 新型杂萘联苯聚醚砜酮的电纺性及其混容性研究D苏州:苏州大学材料与化学化工学部，2010 14 Wright L D，Andric T，Freeman J W Utilizing NaCl to increase theporosity of electrospun materials J Mat Sci Eng C，2011，31(1):3
23、0-36 15 Lowery J L，Datta N，Rutledge G C Effect of fiber diameter，poresize and seeding method on growth of human dermal fibroblasts inelectrospun poly(-caprolactone)fibrous matsJ Biomaterials，2010，31(3):491-504 16 彭刚，严伟，卞保民，等 尘埃粒子计数器标准粒子信号幅度分布统计分析 J 测试技术学报，2009，23(6):檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿
24、檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿514-518(上接第 34 页)了语音信号;与应用电子滤波器或 DSP 数字滤波等信号处理方法来解决滤除多余干扰信号、降低噪音等问题，以及现有的语音接收系统背景噪音消除装置相比，该电路不但具有动态范围宽、信号电压峰值超过供电电压时不易失真、低噪声、低功耗、低成本，稳定性高，抗干扰性强等特点，而且结构简单、合理，易于调试实现，可以广泛应用于口语听力考场、会场、舞台、机场、车站等多种场合，具有较高的实用价值和较强的推广价值。参考文献(References):1周胜海，王栋臣，马建中 可变增益放大器的实现方法J 仪表技术与传感器，2001(7):32-342张子栋，吴
25、雪冰，吴慎山 智能传感器原理及应用J 河南科技学院学报(自然科学版)，2008，36(2):116-1193谢路生，黄元庆 基于声学传感器的可调式电子戒鼾器的设计 J 现代电子技术，2007(22):195-1964陈娟 语言播音室的传声器设置J 音响技术，2006(4):20-215陈荣红 驻极体电容传声器专用管特性分析J 电声技术，2009，33(9):20-236 王永龙，杨卫，石云波，等 基于自动增益控制的声信号处理电路 J 仪表技术与传感器，2007(12):42-437陈小平 扬声器和传声器原理与应用M 北京:中国广播电视出版社，20058杜功焕 声学基础 M 南京:南京大学出版社
26、，20069谷丽华，辛晓宁，么旭东 实用低频功率放大器的设计J 沈阳化工学院学报，2005，19(1):50-53 10 林剑峰，冯瑞 用于人形机器人的声音降噪方法J 计算机工程，2009，35(5):191-193 11 朱高峰，吴黎明，王桂棠，等 D 类音频功率放大器的关键技术J 声学技术，2005，25(5):452-456 12 龚伟，周雒维 D 类音频功率放大器控制方式综述J 重庆大学学报，2003，26(2):117-121 13 康华光，陈大钦 电子技术基础:模拟部分 M4 版 高等教育出版社，1999 14 申卫国 谈对三极管特性曲线饱和区的教学J 河北软件职业技术学院学报，2005，7(4):48-51 15 张英莉，张丽丽 浅谈音频功率放大器功率传输及效率J 信息技术，2003，27(11):39-4083