電紡聚丙烯腈納米纖維復(fù)合過濾膜的制備及性能研究

電紡聚丙烯腈納米纖維復(fù)合過濾膜的制備及性能研究

0新冠病毒載體分布污染已成為全世界的共同問題。它容易導(dǎo)致哮喘、肺癌和其他心血管疾病，如高血壓、心力衰竭和心絞痛。顆粒、飛沫和氣溶膠是新冠病毒主要的載體，其中氣溶膠尺寸最小，不攜帶病毒的氣溶膠尺寸最低為0.01μm,攜帶病毒的氣溶膠尺寸最小只有0.07μm,飛沫及飛沫核尺寸最小為1.0μm靜電紡絲技術(shù)是利用高壓靜電場力從溶液或者熔體中抽取纖維的過程現(xiàn)有的非織造過濾材料成型過程使用的方法可以細(xì)分為熔噴、紡粘、針刺、水刺、濕法成網(wǎng)、化學(xué)粘合等2實(shí)驗(yàn)2.1表面活性劑的合成聚丙烯腈(PAN),相對分子質(zhì)量150000;N-N二甲基甲酰胺(DMF),分析純；氯化鈉(NaCl)分析純；自制靜電紡絲設(shè)備；口罩濾材顆粒物過濾效率測試儀FE/R-2626-11。2.2改變送料連接，形成聚丙烯腈纖維膜pmp紡絲電壓設(shè)定為18kV,PAN紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,單層濾膜紡絲時(shí)間為1h,紡絲速率為1mL·h2.3改變編織法的濃度，創(chuàng)造聚丙烯腈纖維膜pm紡絲電壓設(shè)定為18kV,紡絲距離設(shè)定為18cm,單層濾膜紡絲時(shí)間為1h,紡絲速率為1mL·h2.4改變編織機(jī)的電壓，用聚丙烯腈pan纖維膜制造纖維膜紡絲距離設(shè)定為18cm,PAN紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,單層濾膜紡絲時(shí)間為1h,紡絲速率為1mL·h2.5離設(shè)定層：pan紡絲電壓設(shè)定為18kV,紡絲距離設(shè)定為18cm,PAN紡絲液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%,單層濾膜紡絲時(shí)間為1h,紡絲速率為1mL·h3結(jié)果與討論3.1紡絲液濃度對纖維平均直徑的影響3.1.1改變紡絲距離制備聚丙烯腈(PAN)纖維膜。圖1(a)～(d)為樣品1-1、1-2、1-3、1-4不同紡絲距離靜電紡纖維濾膜的SEM圖。圖1中纖維表面光滑，其中圖1(c)中還可透過納米纖維表面看到PP無紡布膜的粗纖維。通過分析圖1的SME圖的數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)樣品的平均直徑(表1)?？梢婋S著距離的增大，纖維平均直徑有下降的趨勢。分析其原因在于隨著紡絲距離的增加。液滴經(jīng)過高壓針頭時(shí)，纖維有著足夠的拉伸距離，故而得到充分的拉伸，最終落到接收器上，直徑較細(xì)3.1.2改變紡絲濃度制備聚丙烯腈(PAN)纖維膜。圖2(a)～(d)為樣品2-1、2-2、2-3、2-4不同紡絲距離靜電紡纖維濾膜的SEM圖。圖2中纖維表面光滑，直徑分布均勻。通過分析圖2的SME圖的數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)樣品的平均直徑(表2)。對于紡絲液來說，液體顏色和濃稠度隨著紡絲液濃度的增大而發(fā)黃和增高。表2中隨著濃度增大，纖維平均直徑有增加的趨勢。分析其原因在于隨著紡絲液濃度的增加，紡絲液的粘度也逐漸增加，而這增大了紡絲液的表面張力。從理論上講，紡絲液表面張力越大，經(jīng)針頭噴射出紡絲液滴的拉伸能力減弱，到相同距離接收器上的直徑增大。因此，當(dāng)紡絲溶液的濃度降低時(shí)，紡絲纖維的直徑變小，但是如果紡絲溶液的濃度太低，聚合物含量過低不足以支撐其在高壓電場中的牽伸作用，則可能發(fā)生紡絲溶液不能紡絲的現(xiàn)象。3.1.3改變紡絲電壓制備聚丙烯腈(PAN)纖維膜。圖3(a)～(d)為3-1、3-2、3-3、3-4樣品不同紡絲距離靜電紡纖維濾膜的SEM圖。圖3中纖維表面光滑，直徑分布均勻。通過分析圖3的SME圖的數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)樣品的平均直徑(表3)。表3中隨著電壓降低，纖維平均直徑有增加的趨勢。分析其原因在于隨著紡絲電壓的逐漸增大，施加高壓的針頭部分同滾筒接收器之間的電場強(qiáng)度逐漸增大。在相同的其他條件下，液滴上所受到的靜電力逐漸增加，使液滴獲得的加速度變大，拉伸效果增強(qiáng)，最終使纖維直徑減小。3.1.4改變紡絲電解質(zhì)制備聚丙烯腈(PAN)纖維膜。圖4(a)～(d)為4-1、4-2、4-3、4-4樣品不同紡絲距離靜電紡纖維濾膜的SEM圖。圖4中纖維表面光滑，直徑分布均勻。通過分析圖4的SME圖的數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)樣品的平均直徑(表4)。表4中隨著電解質(zhì)含量的增加，纖維平均直徑具有先減小后增加的趨勢。在紡絲試驗(yàn)時(shí)，觀察到隨著向紡絲液中添加電解質(zhì)，紡絲液的可紡絲性逐漸增強(qiáng)。分析其原因在于隨著不同濃度電解質(zhì)的加入，紡絲液的導(dǎo)電性增強(qiáng)，對于施加在針頭的高壓所產(chǎn)生的靜電場力的作用也逐漸增強(qiáng)。隨著電解質(zhì)的增加，電解質(zhì)會結(jié)晶析出黏附于纖維表面而增加纖維直徑，電解質(zhì)含量過高時(shí)，電解質(zhì)黏附過多反而會導(dǎo)致纖維難以紡絲。通過向紡絲液中添加電解質(zhì)的方式，增大紡絲液的導(dǎo)電性，可以制備一些不可紡絲或不易紡絲的靜電紡絲濾膜。因此要在可紡性和纖維直徑之間做出適當(dāng)?shù)倪x擇，以達(dá)到最佳的濾膜性能。梯度復(fù)合的復(fù)合濾膜由于多層復(fù)合，因此只能看到最外層的表面結(jié)構(gòu)，無法直接觀察到內(nèi)層的纖維結(jié)構(gòu)，外層的表面結(jié)構(gòu)與相同參數(shù)下的單層梯度復(fù)合膜的外貌形態(tài)基本一致。通過梯度復(fù)合操作，控制變量相同的情況下，單層梯度復(fù)合膜相同的紡絲時(shí)間，隨著紡絲層數(shù)的增大，紡絲濾膜的厚度也隨之增大。3.2濾膜過濾效率和空氣阻力的變化一般情況下，靜電紡纖維過濾材料的過濾性能取決于纖維直徑、纖維氈厚度、填充密度、荷電情況及操作條件為了排除基布對于過濾性能的影響，更清楚直觀地表現(xiàn)電紡纖維膜對過濾性能的影響。因此，在測試各種樣品的過濾性能之前，先測分別測試復(fù)合濾膜和底布的過濾性能，然后再測試各種實(shí)驗(yàn)樣品。通過使用口罩過濾顆粒物過濾效率測試儀對濾膜樣本的逐一測量，得出每個(gè)樣本在鹽性(NaCl)和油性(DOP)條件下的過濾性能以及空氣阻力的數(shù)值，將每種變量下多個(gè)樣品的測量數(shù)據(jù)記錄下來，并與基布測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過編排和處理多個(gè)變量的數(shù)據(jù)，繪制折線圖。經(jīng)過梯度復(fù)合后的靜電紡纖維膜顯著地改善了普通非織造材料的空氣過濾效率，但是也增加了通氣阻力。在紡絲距離的變量樣本中，圖5(a)(b)為濾膜的鹽性(NaCl)和油性(DOP)過濾性能圖。由圖5可見，濾膜過濾效率和空氣阻力隨著紡絲距離的增加，數(shù)值會增大。分析其原因在于由于距離的增大使得紡絲液可以得到有效的拉伸，進(jìn)而使纖維濾膜的平均直徑降低。接收距離的增大，對電場的場強(qiáng)有一定的降低作用，但高壓靜電下，并不足以引起較大的變化在紡絲液濃度的變量樣本中，圖6(a)(b)為濾膜的鹽性(NaCl)和油性(DOP)過濾性能圖。由圖6可見，復(fù)合濾膜過濾性效率和空氣阻力隨著紡絲液濃度的增大而減小，分析其原因在于隨著紡絲液濃度的增大，紡絲液粘稠度和張力也逐漸增大，使絲平均直徑增大，使纖維絲之間的孔隙率增大，進(jìn)而導(dǎo)致濾膜的整體過濾效率以及空氣阻力降低。隨著濾膜的多層復(fù)合，過濾效率和空氣阻力也隨之增大。在紡絲電壓的變量樣本中，圖7(a)(b)為濾膜的鹽性(NaCl)和油性(DOP)過濾性能圖。由圖7可見，單層濾膜過濾效率和空氣阻力隨著電壓的降低而數(shù)值變小。在較小的電壓下，紡絲液體容易在噴絲口形成液滴，更不易將聚合物拉伸成纖維。從表3可以看出，電壓的提高有利于纖維細(xì)度的降低。電壓的降低，使紡絲液受到的靜電力的作用減弱，噴射時(shí)的拉伸效果減弱，進(jìn)而導(dǎo)致收集到的纖維直徑偏大，從而使濾膜整體的過濾性能降低，空氣阻力也逐漸減小。隨著濾膜的多層復(fù)合，過濾效率和空氣阻力也隨之增大。在紡絲電解質(zhì)的變量樣本中，圖8(a)(b)為濾膜的鹽性(NaCl)和油性(DOP)過濾性能圖。由圖8可見，過濾效率和空氣阻力變化有先減小后增加的趨勢，均維持在一定的區(qū)間內(nèi)，但相較于普通紡絲液來說，電解質(zhì)含量更高的紡絲液更容易紡絲，可以說隨著電解質(zhì)含量的提高，紡絲液的可紡性能將隨之提高。隨著濾膜的多層復(fù)合，過濾效率和空氣阻力也隨之增大。根據(jù)改變參數(shù)變量后的纖維濾膜可知，纖維直徑和濾膜層數(shù)將直接影響濾膜的過濾性能，分析其原因在于：通過降低纖維直徑，增大纖維濾膜的密度，減少了纖維膜的孔隙率，而通過梯度復(fù)合將不同直徑的纖維濾膜復(fù)合在一起，互相彌補(bǔ)之間孔隙率的差別，進(jìn)而影響到纖維濾膜的整體通道，使其過濾性能顯著高于單層梯度復(fù)合膜。且復(fù)合層數(shù)增加得越多，其過濾性能越好。當(dāng)增大到一定厚度時(shí)，過濾性能提升不大，但空氣阻力會持續(xù)上升。各種變量對于單層復(fù)合膜的過濾性能不會產(chǎn)生顯著的改變，而梯度復(fù)合下復(fù)合膜的過濾性能要顯著高于單層復(fù)合膜。4復(fù)合復(fù)合膜的制備通過改變紡絲距離、紡絲濃度、紡絲電壓、向紡絲液中添加不同濃度的電解質(zhì)這4種變量，通過梯