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  复合 高效空气过滤非织造材料的制备及其性能
[作者: 天瑞液压 2017-07-13 点击: 2448 ]

 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00.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,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,非 金属材料、材料化学方向的实验教学和科研工作。

   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。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M,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维,从而形成层状复合非织造过滤材材料驻极方法面密度“g聚丙 烯纺黏电晕放电聚丙烯熔喷电晕放电聚环氧乙烷静电纺丝料,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 1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)。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40kV静电 压制得平均直径在3~4pm的聚 苯乙烯电纺纤维膜,电纺膜在储存1h后, 纤维表面平均电势仍达616V3.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。

   铝箔接受屏);扫描电镜(HITACHIS-570型) ;数码照相机(Nikn,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2.2实验 过程与测试3涤纶 非织造布预处理。将涤纶无纺布(10cmX10cm)浸 泡在浓度为5%的引 发剂过氧化二苯甲酰/丙酮 溶液中,1h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25mL苯乙烯,25mL丙烯 酸丁酯,5mLSpan-0和50mL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1h后取 出,静置0.5h.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的带喷头的注射器中,喷头与接受屏之间的距离为15cm左右 ,纺丝电压的调节范围为0~20kV.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。

   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°C烘箱 中热处理4h,取 出待用。

   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 结果与讨论电纺复合非织造滤布的表面结构2.1实验 材料与仪器聚苯乙烯,黏均相对分子质量约6X105g/mol.杂环 联苯聚芳醚砜酮(PPESK)重 均相对分子质量约3X104g/mol(大 连宝力摩新材料有限公司)。涤纶针刺非织造布,面密度150g/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0~50kV;注 射泵流量0.01本实 验选用市场常见的涤纶非织造材料为基材,同时选择了具有良好物理力学性能膜原料一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。

   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。据资料报道315,电 纺膜的微孔尺寸和纤维直径都很小。

   给出了在90°C下经4h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。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15~20m,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维和共聚物)。

  3AiU处押 后电纺映/丨卜 :织造布介滤布的衣而结构商溢 处押后电纺腴/作织 造市布界曲'结构 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3 ~4m,丙 烯酸丁酯-苯乙 烯共聚物的颗粒尺寸远小于1pm,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。

   给出了组成相同的PPESK/PS共混 液的电纺纤维膜,比较与6中的 纤维可以发现,两种纤维的外观结构明显不同,主要是由于中的电纺纤维吸附了共聚物的缘故。而在中,无法看到电纺纤维形态的主要原因是: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。

  5商溢 处押后电纺/丨卜 织造缶Hn滤缶的炎rfl尘埃粒径/Mm电纺 腴与作织造布以及g合滤 布的空气过滤性能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。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。

   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。

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