尹桂波

(南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通，226007)

靜電紡PA 6納米纖維膜的過濾性能*

尹桂波

(南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通，226007)

用98%甲酸溶解聚酰胺6(PA 6)制備質(zhì)量濃度為13%紡絲液，經(jīng)靜電紡絲獲得厚度31～60 μm、纖維平均直徑217 nm、表面平均孔徑為234 nm的納米纖維非織造膜。由于該纖維膜的斷裂強度僅為8.06 MPa，實驗以普通聚酯纖維織物為支撐基布，測試了不同樣品的過濾性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在氣流速度為2.83 L/min時，普通聚酯纖維基布對1 μm微粒的過濾效率僅為9.92%，對0.5和0.3 μm微粒無過濾作用;而在基布上覆蓋一層面密度為1.25 g/m2的PA 6纖維膜后，對1、0.5和0.3 μm微粒的過濾效率分別為92.16%、89.66%和87.38%;當(dāng)覆蓋的PA 6纖維膜面密度達到2.5 g/m2時，相應(yīng)的過濾效率分別增加到97.03%、96.23%和95.65%，但透氣量增加不大。實驗結(jié)果表明，聚酯纖維基布與靜電紡PA 6纖維膜復(fù)合材料具有良好的過濾性能，顯示出在高效、精密過濾材料中的應(yīng)用潛力。

靜電紡絲，納米纖維，PA 6，力學(xué)性能，過濾性能

近年來，高效低阻過濾材料在試管嬰兒100級潔凈度的空氣過濾、流感防護、血液透析等領(lǐng)域的要求和需求日益提升［1］。靜電紡絲能獲得納米級纖維并能實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，由該技術(shù)形成的纖維膜孔徑小、比表面積大，可制成駐極體材料并具有高透氣性，因而特別適用于過濾材料。靜電紡納米纖維膜在組織工程支架、傳感器感知膜、防護性服用材料、導(dǎo)電及增強材料等領(lǐng)域的應(yīng)用研究也已廣泛開展，但只有在過濾材料方面的應(yīng)用研究稍微成熟［2］。

Yun 等人［3］以 N，N-二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑溶解聚丙烯腈(PAN)進行靜電紡絲，形成纖維平均直徑為270～400 nm的非織造膜，發(fā)現(xiàn)該膜對粒徑小于80 nm的分散NaCl微粒具有與工業(yè)化生產(chǎn)的聚烯烴及玻璃纖維過濾材料相同的過濾效能。Gopal等人［4］則將聚偏二氟乙烯(PVDF)溶解在體積比為1∶1的N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)/丙酮共混溶劑中，經(jīng)靜電紡絲形成非織造膜，發(fā)現(xiàn)可以去除水中90%的粒徑為1、5和10 μm的聚苯乙烯(PS)微粒，研究者認為該項研究為靜電紡納米纖維的應(yīng)用開辟了新的途徑。隨后，Copal等人［5］利用聚砜，通過靜電紡絲形成泡點孔徑為4.6 μm的纖維膜，發(fā)現(xiàn)對液體中粒徑為10、8和7 μm的顆粒去除率達99%以上，該纖維膜可用作超效膜或納濾膜的預(yù)濾膜。Shin［6］用回收的發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)靜電紡絲形成亞微米級纖維膜，利用該纖維膜與玻璃纖維復(fù)合，用于油水中直徑小于100 μm水滴的聚結(jié)過濾，分離效率由61%提高到91%。我國康為民等人［7］通過靜電紡絲制備了直徑在80～500 nm的聚己二酸己二醇酯納米級纖維，由該纖維組成的膜與駐極體熔噴非織造布復(fù)合，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料對粒徑為0.3 μm粉塵的過濾效率高達99.9%。

聚酰胺6(PA 6)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性，易溶于甲酸，靜電紡絲時成纖性好，這為靜電紡PA 6納米纖維的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。Heikkila等人［8］全面研究了靜電紡絲工藝參數(shù)對PA 6纖維形態(tài)的影響。夏艷杰等人［9］對靜電紡PA 6納米纖維的性能也進行了較深入的研究。Aussawasathien等人［10］將靜電紡PA 6納米纖維膜(纖維直徑30～110 nm)用作水預(yù)過濾膜，發(fā)現(xiàn)能夠完全清除粒徑為1 ～10 μm 的微粒，對粒徑為 0.5 μm 微粒的過濾效率達到90%，用該膜可提高超濾膜或納濾膜的過濾效率，延長使用壽命。任峰等人［11］利用靜電紡PA 6纖維膜制備夾心式納米超凈化材料，發(fā)現(xiàn)其對酵母菌的過濾效率達到99.976%。本項目利用甲酸溶解PA 6，進行靜電紡絲，研究了靜電紡PA 6纖維膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及其對空氣中粒徑為0.3、0.5和1 μm 微粒的過濾性能。

1 實驗部分

1.1 靜電紡絲

以98%甲酸溶液(上?；瘜W(xué)試劑有限公司，分析純)為溶劑，在室溫下用磁力攪拌器攪拌，將PA 6顆粒(Sigma Aldrich Inc.)完全溶解，形成PA 6質(zhì)量濃度為13%的靜電紡絲液。在自行設(shè)計的靜電紡絲裝置上進行靜電紡絲，金屬網(wǎng)收集。工藝條件為:電壓25 kV，噴嘴到收集網(wǎng)距離13 cm，噴嘴口徑0.9 mm，流量1 mL/h。

1.2 形態(tài)測試

用日本日立公司S-570型掃描電鏡(SEM)觀察納米纖維膜形態(tài)。用photoshop 7.0軟件將電鏡照片分為9部分，用度量工具測得各部分中纖維的直徑，然后對比電鏡照片標(biāo)準(zhǔn)尺度即可得纖維的實際直徑。

1.3 力學(xué)性能測試

將納米纖維膜剪成10 mm×50 mm的細長條試樣，在YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度測試儀(溫州市大榮紡織儀器有限公司)上選擇5個點測定試樣厚度，計算其平均值，即得膜的厚度。樣品在恒溫恒濕條件(溫度23℃，相對濕度70%)下平衡24 h后，在Instron3365型強伸度測試儀上測定膜的斷裂強力和絕對斷裂伸長，樣品的夾持長度為30 mm，拉伸速率為20 mm/min，按公式(1)和(2)計算斷裂強度和斷裂伸長率。

1.4 過濾性能測試

采用YG(B)141D型數(shù)字式織物厚度儀測試聚酯(PET)纖維基布和靜電紡纖維膜厚度，采用YG461型織物中壓透氣量儀(寧波紡織儀器廠)測試透氣性。在PET纖維基布表面包覆一層PA 6纖維膜，采用CLG-03A型激光塵埃粒子計數(shù)器(蘇州市潔凈技術(shù)研究所)測試對空氣中不同粒徑粉塵粒子的過濾效率，流量2.83 L/min，氣壓101.3 kPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜電紡PA 6纖維膜形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖1顯示了靜電紡PA 6纖維膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)。由圖1可以看出，用PA 6溶于98%甲酸形成的紡絲液進行靜電紡絲，成纖性好，無珠狀物，纖維均勻連續(xù)，平均直徑為217 nm。通過連續(xù)靜電紡絲，纖維層狀累積，厚度增加，使膜內(nèi)纖維縱橫交錯，呈非織造布狀排列，上下貫穿的微孔少。按照Vaz等人［12］的方法，將表面微孔擬合成圓，計算孔徑。計算得出本實驗制成的纖維膜的表面孔徑僅為234 nm，這為微粒的高效過濾奠定了基礎(chǔ)，能夠通過攔截效應(yīng)、擴散運動和慣性效應(yīng)等有效過濾粒徑小于 0.5 μm 的粒子。

圖1 靜電紡PA 6納米纖維膜掃描電鏡照片

2.2 力學(xué)性能

過濾材料在過濾過程中要承受較大外力的作用，為進一步探討靜電紡PA 6納米纖維膜用作過濾材料的可行性，對纖維膜的力學(xué)性能進行了研究。由圖2纖維膜的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可看出，厚度31 μm纖維膜的斷裂強度為8.06 MPa，伸長率為52.8%;當(dāng)厚度增加到60 μm時，斷裂強度提高到9.05 MPa，伸長率增加到57.1%。這主要是由于增加靜電紡絲時間，所紡制的纖維穿插糾纏更加緊密，從而提高了纖維膜的力學(xué)性能。然而，由于靜電紡絲時噴射流拉伸和固化極快，分子取向度差，結(jié)晶度低，造成靜電紡納米纖維膜力學(xué)性能差［9］。與工業(yè)化生產(chǎn)的高效過濾材料相比，靜電紡納米纖維膜的強度明顯偏低，難以滿足過濾材料的要求，因而必須采用熔噴、紡粘非織造布或針織布等提供力學(xué)支撐［2］。

圖2 靜電紡PA 6納米纖維膜應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.3 過濾性能

為研究靜電紡PA 6納米纖維膜的過濾性能，本研究選擇微孔上下貫穿、孔徑為21 μm的普通PET纖維織物為基布，以排除基布對過濾效率的影響，基布僅為納米纖維膜提供力學(xué)支撐。由表1可看出，與PET纖維基布(樣品1)相比，在基布表面覆蓋一層厚度為31 μm、面密度為1.25 g/m2靜電紡PA 6纖維膜后(樣品2)，基布與靜電紡纖維膜復(fù)合體的透氣量下降，這主要是由于靜電紡PA 6纖維膜的孔徑較小，最大孔徑僅為426 nm，上下貫穿的微孔較少，導(dǎo)致透氣量下降。隨著纖維膜厚度增加，纖維交錯更加致密，上下貫穿的微孔更少，孔徑變小，當(dāng)纖維膜厚度增加一倍后(樣品3)，對氣流的阻礙增大，透氣量進一步下降，但透氣量仍可達549 L/(m2·s)，這為開發(fā)高效低阻過濾材料提供了重要條件。

表1 靜電紡PA 6納米纖維膜的透氣性與過濾性能

由表1可見，在氣流速度為2.83 L/min時，由于樣品1上下貫穿的微孔較大，對粒徑為0.3和0.5 μm微粒無任何阻擋作用，對粒徑為1 μm的微粒過濾效率也僅為9.92%;樣品2和樣品3是在樣品1上覆蓋了厚度分別為31和60 μm的PA 6納米纖維膜，過濾效率得到極大提高，且過濾效率與精度隨膜厚的增加而提高。靜電紡納米纖維膜孔徑較小，有利于產(chǎn)生攔截效應(yīng)，這是其具有高過濾效率的主要原因。此外，納米纖維膜纖維直徑較小，表面能和活性增大，在靜電紡絲時使納米纖維帶上電荷，靜電吸附力增強也提高了過濾效率［7］。

3 結(jié)論

(1)用98%甲酸溶解PA 6制成質(zhì)量濃度為13%的紡絲液，經(jīng)靜電紡絲制得的靜電紡PA 6納米纖維膜，其纖維平均直徑為217 nm，表面孔徑為234 nm。纖維細、纖維膜孔徑小，有利于提高對微小粒子的過濾效率和精度。PA 6納米纖維膜的斷裂強度為8.06 MPa，斷裂伸長率為52.8%，用作過濾材料時需要基布支撐以提高其力學(xué)性能。

(2)在基布上覆蓋靜電紡PA 6納米纖維膜后，透氣量下降;纖維膜越厚，透氣量越低。PET纖維基布與膜厚為60 μm靜電紡PA 6納米纖維膜復(fù)合體的透氣量仍可達到549 L/(m2·s)，為開發(fā)高效低阻過濾材料提供了重要條件。

(3)PET纖維基布對粒徑為1 μm微粒的過濾效率僅為 9.92%，對粒徑為 0.5 和 0.3 μm 微粒無過濾作用;在PET纖維基布上覆蓋一層面密度為1.25 g/m2的PA 6納米纖維膜后，在氣流速度為2.83 L/min時，對粒徑為 1、0.5 和 0.3 μm 的微粒其過濾效率分別為92.16%、89.66%和87.38%;當(dāng)在PET纖維基布上覆蓋一層面密度為2.5 g/m2的PA 6納米纖維膜后，其相應(yīng)的過濾效率分別增加到97.03%、96.23%和 95.65%，過濾效率和精度顯著提高。

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Filtration performances of electrospun PA 6 nanofiber membranes

Yin Guibo
(Nantong Textile Vocational Technology College)

PA 6 was firstly dissolved in 98%formic acid to produce the spinning liquor with concentration of 13wt%，and then be electrospun to obtain nanofiber membranes with the thickness of 31 to 60 μm，the average diameter of 217 nm and the surface average pore diameter of 234 nm.Because the breaking tenacity of the membrane was only 8.06 MPa，the polyester fabrics were selected as substrate to provide mechanical support to test the filtration performance of various specimens.The results showed that the filtration efficiency of the general polyester fiber substrate was only 9.92%on filtration of particle of 1μm while the airflow speed be of 2.83 L/min，and no filtration efficiency on 0.5 μm and 0.3 μm particles，when they were covered with the electrospun PA 6 nanofiber membrane with the density of 1.25 g/m2，they could filter the former specification particles separately on filtration efficiency of 92.16%，89.66%，87.38%，respectively.Adopting the electrospun membrane with the density of 2.5 g/m2，the filtration efficiency reached 97.03%，96.23%，95.65%for 1 μm，0.5 μm，0.3 μm particles，and the permeability did not increased significantly.The excellent filtration performance，combined with a simple production process，suggested tremendous potential application for high-precision filter materials.

electrospinning，nanofiber，PA 6，mechanical property，filtration performance

TQ342+.11

A

1004－7093(2011)05－0017－04

*江蘇省神經(jīng)再生重點實驗室開發(fā)課題(SK2009-3)

2011－03－01

尹桂波，男，1978年生，講師。主要從事納米纖維材料及功能紡織材料研究。