吸附-过滤双功能复合微纳纤维的制备及性能研究

王　宇，张旭倩，谌兴华，林承浩，吕汪洋，陈文兴

(浙江理工大学纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室，杭州　310018)



吸附-过滤双功能复合微纳纤维的制备及性能研究

王宇，张旭倩，谌兴华，林承浩，吕汪洋，陈文兴

(浙江理工大学纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室，杭州310018)

摘要：通过静电纺丝技术在活性碳纤维表面形成一层纳米孔道结构膜，制备具有吸附和过滤双功能的复合微纳纤维。测试结果表明：该纤维不仅具有活性碳纤维强的吸附能力，对常见挥发性有机污染物的吸附饱和量最高可达295.5mg/g；且静电纺丝所形成的纳米孔道结构能够有效过滤大气细颗粒物，可完全过滤0.5～10μm的颗粒物。此外，测试结果还表明，该复合微纳纤维还具有较好的透气和透湿性。并考察了静电纺丝时间对复合微纳纤维透气和透湿性的影响。

关键词：复合微纳纤维；静电纺丝；活性碳纤维；吸附；过滤

随着我国经济的高速发展，人们的生活水平在不断提高，但相应地加剧了环境污染，其中越来越严重的空气污染已影响到人们的正常生活，尤其是空气中过量的PM2.5等细颗粒物和挥发性有机污染物(VOCs)严重威胁着人体健康[1-2]。目前防护用品中用于过滤细颗粒物主要采用多层材料过滤，但透气、透湿性差，舒适度低。吸附污染物主要使用活性炭产品，且多用活性炭颗粒，但其与活性碳纤维相比，存在比表面积较小且滤阻大等不足[3-4]。静电纺丝纤维独特的超高比表面积、孔径的内部连通性及高表面吸附性，现已在过滤材料、医药传感、伤口防护、骨架组织工程等领域都有广泛的应用[5]，在空气过滤方面也已达到了高精度过滤[6]。而目前国内外过滤纤维虽然在实验室中有研究报道[6-7]，但不能满足作为防护用品过滤芯层在透气、透湿等方面的要求。在过滤细颗粒物的效果方面，国内的产品离国外的先进水平还有一定距离，国外市场上的部分产品防尘效果较好，但透气、透湿性能却有待提高，且价格昂贵，因而不能很好地满足人们的需求。

本文采用静电纺丝的方法在活性碳纤维上复合纳米纤维膜，制备得到具有吸附和过滤双功能的复合微纳纤维，并测试了其透气、透湿、吸附及过滤性能。纺丝过程中通过改变纺丝时间来改变静电纺丝纤维膜的厚度，从而调节复合微纳纤维整体的透气、透湿和过滤等性能。该复合微纳纤维可用于室外防护用品芯层材料，同时去除空气中挥发性有机污染物和细颗粒物。

1　实验部分

1.1原料与试剂

聚丙烯腈(PAN，Mw=150000)；N,N-二甲基亚酰胺(DMF，AR，杭州高晶精细化工有限公司)；活性碳纤维布(江苏苏通碳纤维有限公司)。无水氯化钙(CaCl2，AR，杭州高晶精细化工有限公司)；苯(AR，杭州大方化学试剂厂)；甲苯(AR，上海三鹰化学试剂有限公司)；环己烷(AR，杭州高晶精细化工有限公司)；二硫化碳(AR，上海展云化工有限公司)；丙酮(AR，杭州高晶精细化工有限公司)；彩色单分散聚苯乙烯微球(红色，2μm；蓝色，500nm；上海晶纯试剂有限公司)。

1.2纺丝溶液配制

以DMF为溶剂配制纺丝溶液，用电子天平按2∶23的质量之比准确称取PAN粉末和DMF。将上述称量好的试剂加入样品瓶进行混合，放入预先设定好的超声波分散器中，超声分散5h后取出样品瓶，冷却至室温，得质量分数为8%的PAN纺丝溶液。

1.3复合微纳纤维的制备

剪取约35cm×35cm的活性碳纤维布(比表面积为800～1000m2/g，克重为70～80g/m2)，将其平铺于静电纺丝装置的接收板上，并将提前装好纺丝溶液的注射器固定好，调节静电纺丝装置的参数如下：电压15kV，纺丝距离18cm，纺丝速度1mL/h。制备纺丝时间为1.0、1.5、2.0、2.5h的复合微纳纤维，并制备多个实验样品。

1.4复合微纳纤维性能测试

1.4.1透气性能测试

透气性能测试参照国家标准GB2626—2006《呼吸防护用品-自吸过滤式防颗粒物呼吸器》[8]进行。每个纺丝时间段的选取两个样品，将样品置于温度为(20±2)℃，相对湿度为63%～67%大气下调湿24h。采用YG461D型织物透气量仪进行透气性测试，试样面积为20cm2，压差为350Pa，所用喷嘴为03、04、05号。分别在纺丝时间为1.0、1.5、2.0、2.5h的每个样品上取3个点进行测试，取平均值。

1.4.2透湿性能测试

参照国家标准GB/T 12704.1—2009《纺织品织物透湿性试验方法-第1部分：吸湿法》[9]进行透湿性测试。所用仪器为YG601-Ⅰ/Ⅱ型电脑式织物透湿仪，用吸湿法进行测试，吸湿剂为无水CaCl2。先将无水CaCl2置于160℃的烘箱中进行烘干处理3h，然后加入约35g于透湿杯。上面依次放置试样、橡胶圈和压环，并拧紧螺丝，并用乙烯胶粘带从侧面密封。将安装好的透湿杯放入透湿仪内，透湿仪设定为温度(38±2)℃，湿度为(90±2)%。透湿1h后，取出透湿杯，并立即盖上杯盖，放入硅胶干燥器内平衡0.5h后，称重m1。重复上述步骤，称重m2，得两次质量之差为Δm。分别在0、1.0、1.5、2.0、2.5h每个样品上面剪取3个不同地方试样进行测试，取3次平均值为最终所测结果。最终可计算透湿率W。

其中：A为静电纺丝接收圆盘的面积，t为透湿时间。

1.4.3吸附性能测试

将纺丝时间为1.0h的试样剪成15cm×15cm大小，放入100℃烘箱进行烘干处理2h，利用称重法可得试样对苯、甲苯、环己烷、二硫化碳和丙酮这些常见挥发性有机气体的吸附量，以判定双功能复合微纳纤维的吸附性能。

1.4.4过滤性能测试

将纺丝时间为1.0h的试样剪成约5cm×5cm大小，在样品表面分散约1.5mg的彩色单分散聚苯乙烯微球颗粒物，其粒径有2μm(红色)和0.5μm(蓝色)两种。然后将样品置于孔隙极小的白色过滤布上，用抽气机对准过滤布下面进行抽吸30s，完成后取走过滤布上面的样品并进行观察。由过滤布表面是否有苯乙烯微球或者是否有苯乙烯微球透过，以此来判断复合微纳纤维过滤性能。

2　结果与讨论

2.1复合微纳纤维形貌

图1为纺丝时间1.0h试样的电镜照片，从图1中可以看出复合微纳纤维表层为纳米级纤维，且纤维粗细较为均匀，纤维的直径约为200～300nm。此外，静电纺丝纳米纤维交错、层叠形成的空隙大小均匀，孔隙率高。

图1　纺丝时间1.0h试样电镜照片(×10000)

2.2复合微纳纤维透气性能

纺丝时间对试样透气量的影响曲线如图2所示。由图2可以看出，随着纺丝时间的增加透气性能总体呈下降趋势，且纺丝时间从1.0h到1.5h透气量骤降，从1.5h到2.5h透气量变化不大。由于制备的复合微纳纤维上层为静电纺丝纳米级纤维，纺丝时间为1h时纤维之间形成的孔隙还较多，且较大，透气量最大；当纺丝时间达1.5h时，纤维之间的所形成的孔隙变小，且随着纺丝时间继续增加，纤维相互层叠、交错所形成的孔隙变化率减小，所以1.5h以后的透气量变化幅度较小。但随着纺丝时间的增加，纤维之间形成的孔隙整体趋势是变小，所以透气量整体呈下降趋势。同时，纺丝时间为1.0h的试样透气性最好，其平均透气率达594.2L/(m2·s)。

图2　纺丝时间对试样透气量的影响

根据国家标准GB2626—2006《呼吸防护用品-自吸过滤式防颗粒物呼吸器》可知，在检测气流量为(85±1)L/min时，吸气阻力不超过350Pa。即试样压差达到350Pa时，气流量应大于(85±1)L/min，。从图2可见，试样的透气性能良好。

2.3复合微纳纤维透湿性能

纺丝时间为0h的试样，即活性碳纤维布，透湿率为32.9g/m2·h。随着纺丝时间的增加，试样的透湿率呈下降趋势，如图3所示，且变化较小，在29.0～31g/m2·h之间。可见，在活性碳纤维布上面复合一层静电纺丝纤维后，对其透湿性能的影响不大。所以可将该复合微纳纤维用作面罩的芯层材料或其他防护用具的过滤芯层，舒适度高，有望解决目前市场上防护用具透湿性差的问题。

图3　纺丝时间对透湿率的影响

2.4复合微纳纤维吸附性能

利用称重法考察复合微纳纤维对苯、甲苯、环己烷、二硫化碳和丙酮这些常见挥发性有机气体的吸附能力，测试结果如表2数据所示。其对二硫化碳的吸附量最大，接近300mg/g；对环己烷的吸附量最小，为207.9mg/g；但对5种常见挥发性有机气体的吸附量均达200mg/g，所以该复合纤维对一些常见有机气体的吸附效果较为理想。

表2试样对常见挥发性有机气体的吸附量

吸附物苯甲苯环己烷二硫化碳丙酮吸附量/(mg/g)256.7254.1207.9295.5247.3

2.5复合微纳纤维过滤性能

过滤测试结果表明，仅使用活性碳纤维布对2μm的颗粒物和0.5μm的颗粒物过滤效率很差；而复合纤维的过滤效果明显提高。为了证明实验结果，将经过过滤测试纺丝时间为1h的试样上层静电纺丝纤维与活性碳纤维分离(如图4所示)，观察静电纺丝纤维背面。图4(a)为过滤2μm的颗粒物结果照片，图4(b)为过滤0.5μm的颗粒物结果照片，均无颗粒物粘附和透过，进而说明复合微纳纤维具有良好的过滤细颗粒物的性能。

图4　纺丝时间1.0h试样过滤性能测试结果照片

根据上述对试样透气、透湿、吸附和过滤性能测试结果对比发现，纺丝时间1.0h的试样其平均透气量达594.2L/m2·s，吸附性能与活性碳纤维相当，且对常见挥发性有机气体吸附效果较为理想，同时可基本过滤0.5～2μm颗粒物。因而选其进行进一步的实际过滤性能测试。以打印机中的碳粉和二手烟作为过滤颗粒物，测试方法与上述过滤性能测试方法类似。

过滤碳粉测试结果如图5(a)，可以看出碳粉粒径约为4～10μm，且为不规则颗粒物。经过滤测试，碳粉被滞留在复合纤维表面。过滤二手烟颗粒物测试结果如图5(b)电镜照片所示，颗粒物被阻隔在复合纤维表层，因此该复合微纳纤维能有效过滤碳粉和二手烟颗粒物。

图5　过滤性能实测结果电镜照片

以上对复合微纳纤维的透气、透湿、过滤及吸附性能测试结果表明，纺丝时间为1.0h的试样其性能已经较好，可以满足防护用品的过滤芯层的要求，同时具有吸附和过滤的双重功能。

3　结　论

a)通过静电纺丝技术可以制备具有吸附和过滤双功能的复合微纳纤维。

b)复合微纳纤维透气、透湿性能很好，随着纺丝时间的增加透气性能总体呈下降趋势，但对透湿性能基本无影响。同时复合微纳纤维具有较好的吸附和过滤性能。

c)纺丝时间为1.0h的试样平均透气量达594.2L/m2·s，透湿性与活性碳纤维相当；对常见挥发性有机气体的最大吸附量接近300mg/g，对0.5～10μm的颗粒物基本可以过滤。所以纺丝时间为1.0h的试样其性能已经较为理想，有望可以用于防护用品的过滤芯层。

参考文献：

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[2] 宫庆超,牛志广,陈彦熹.环境空气中挥发性有机物的健康风险评价研究进展[J].安全与环境学报,2012,12(3):84-88.

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[6] 潘芳良,潘志娟.静电纺纤维制品在空气过滤中的应用[J].产业用纺织品,2011,29(5):34-39.

[7] 应黎君,常怀云,熊杰.静电纺聚丙烯腈多层纳米纤维膜的制备、结构与性能[J].现代纺织技术,2014,22(6):1-4.

[8] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB2626-2006呼吸防护用品-自吸过滤式防颗粒物呼吸器[S].北京:中国标准出版社,2006.

[9] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 12704.1-2009纺织品织物透湿性试验方法-第1部分：吸湿法[S].北京:中国标准出版社,2009.

(责任编辑：康锋)

收稿日期：2015-04-15

基金项目：国家自然科学基金重点项目(51133006)

作者简介：王宇(1995-)，女，陕西洛南人，本科生，研究方向为功能高分子材料。 通信作者：吕汪洋，E-mail:luwy@zstu.edu.cn

中图分类号：TU834.8

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)01-0014-04

Preparation and Performance of Adsorption-Filtration Bifunctional Micro-nano Composite Fibers

(National Engineering Lab for Textile Fiber Materials & Processing Technology(Zhejiang), Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018)

Abstract：Micro-nano composite fibers with adsorption and filtration functions were prepared by forming a fibrous membrane with nanopore structure on the surface of active carbon fibers with electrospinning method. The test results show that the composite fibers have a strong adsorption capacity of active carbon fibers and the adsorption saturation capacity for common volatile organic pollutant is up to 295.5mg/g. The nanopore structure formed by electrospinning can effectively filter airborne fine particulate matters, and can completely filter 0.5～10 μm particles. In addition, the test results show that the micro-nano composite fibers have good air permeability and moisture permeability, and the effect of electrospinning time on air permeability and moisture permeability are also be discussed.

Key words：micro-nano composite fibers; electrospinning; active carbon fiber; adsorption; filtration