劉兆麟

河北科技大學(xué) 紡織服裝學(xué)院(中國(guó))

大氣顆粒物污染，尤其是PM 2.5污染，已成為影響健康的主要因素之一[1]。因此，人們對(duì)高效低阻空氣過(guò)濾材料的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。近年來(lái)，具有醫(yī)療保健功能的空氣過(guò)濾材料已成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。負(fù)離子能有效治療哮喘、支氣管炎、高血壓等疾病，如果空氣中負(fù)離子濃度超過(guò)2 000個(gè)/cm3，將有助于增強(qiáng)人體的免疫系統(tǒng)[2]。人工生成負(fù)離子是保護(hù)健康的一種有益途徑。靜電紡絲技術(shù)是制備納米纖維的一種靈活、有效的方法，可從種類廣泛的聚合物中制備出具有可控結(jié)構(gòu)和集成功能的納米纖維。納米纖維具有比表面積大、孔隙率高及孔結(jié)構(gòu)連通等特點(diǎn)，是空氣過(guò)濾領(lǐng)域的理想材料[3-4]。然而，關(guān)于能夠釋放負(fù)離子且捕獲PM 2.5的納米空氣過(guò)濾材料的研究非常有限。

本研究在聚偏氟乙烯(PVDF)溶液中加入負(fù)離子粉，采用靜電紡絲工藝制備具有負(fù)離子釋放能力的納米纖維基空氣過(guò)濾材料。分析了負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)納米纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)、過(guò)濾性能和負(fù)離子釋放性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

試驗(yàn)原料：PVDF(Mw=660 000)、N，N-二甲基甲酰胺和平均粒徑為80 nm的負(fù)離子粉。

1.2 PVDF納米纖維的制備

在N，N-二甲基甲酰胺中加入PVDF，控制PVDF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，然后加入負(fù)離子粉攪拌溶解8 h，配制負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，3%，6%和9%的紡絲液。在DT-1003型紡絲機(jī)上進(jìn)行靜電紡絲，設(shè)置紡絲電壓為20 kV，紡絲速度為1 mL/h，接收距離為15 cm。

1.3 測(cè)試與表征

分別用NDJ-79型黏度計(jì)和DDS-310型電導(dǎo)率儀測(cè)試紡絲溶液的黏度和電導(dǎo)率。用TM3000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察PVDF納米纖維的形貌，使用Photoshop軟件在SEM圖上隨機(jī)選取50根纖維，測(cè)量并計(jì)算其平均直徑。用IMH01型負(fù)離子檢測(cè)儀測(cè)定負(fù)離子釋放量。采用TSI8530型自動(dòng)過(guò)濾試驗(yàn)機(jī)，在5 cm/s的氣流速度下，測(cè)試納米纖維膜的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)過(guò)濾介質(zhì)的綜合過(guò)濾性能，引入品質(zhì)因子(Q)，品質(zhì)因子越大，材料的綜合過(guò)濾性能越好[5]。

式中，η和Δp分別表示過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVDF納米纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

不同負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下制得的PVDF納米纖維的SEM圖如圖1所示。表1給出了溶液性質(zhì)和納米纖維的平均直徑。結(jié)果表明，隨著負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增大到3%，纖維平均直徑減小。這是因?yàn)樨?fù)離子粉的加入大大提高了溶液的電導(dǎo)率，使得射流的表面電荷密度增大，從而增強(qiáng)了外加電壓的牽伸力。當(dāng)負(fù)離子粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，溶液黏度增加，導(dǎo)致PVDF納米纖維的直徑有所增大。隨著負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加到9%，纖維平均直徑繼續(xù)增大，且負(fù)離子粉顆粒在纖維表面聚集[圖1d)]，這可歸因于過(guò)高的負(fù)離子粉含量和較強(qiáng)的射流不穩(wěn)定性。

a) 0%

b) 3%

c) 6%

d) 9%

表1 溶液性質(zhì)和PVDF納米纖維的平均直徑

2.2 PVDF納米纖維的空氣過(guò)濾性能

PVDF納米纖維的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力如圖2所示。

a) 過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力

b) 品質(zhì)因子

由圖2a)可知，隨著負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力均呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，纖維直徑最細(xì)，納米纖維膜的過(guò)濾效率迅速提高，而過(guò)濾阻力的增長(zhǎng)相對(duì)略慢。此時(shí)，品質(zhì)因子達(dá)到峰值0.040 7 Pa-1[圖2b)]。這證實(shí)了纖維直徑對(duì)構(gòu)筑納米纖維過(guò)濾材料起關(guān)鍵作用。當(dāng)負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到9%時(shí)，過(guò)濾效率因纖維直徑增大而降低，由于負(fù)離子粉對(duì)纖維間孔隙的堵塞作用，過(guò)濾阻力則保持在較高水平，導(dǎo)致品質(zhì)因子降至最低值。

2.3 PVDF納米纖維的負(fù)離子釋放性能

圖3為PVDF納米纖維在不同負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的負(fù)離子釋放量。由圖3可知，隨著負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到9%，負(fù)離子釋放量不斷增大。這主要是由于PVDF納米纖維周圍電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)所致。數(shù)據(jù)表明，加入負(fù)離子粉可有效提高PVDF納米纖維的負(fù)離子釋放能力。值得注意的是，當(dāng)負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，負(fù)離子釋放量已達(dá)2 026個(gè)/cm3，有利于人體健康。

圖3 不同負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)下PVDF納米纖維的負(fù)離子釋放量

3 結(jié)論

采用靜電紡絲方法制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)負(fù)離子粉摻雜的PVDF納米纖維。研究了負(fù)離子粉含量對(duì)PVDF納米纖維形態(tài)、空氣過(guò)濾性能和負(fù)離子釋放性能的影響。結(jié)果表明，負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，納米纖維的直徑最細(xì)，隨著負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從6%增加到9%，納米纖維的直徑變大。隨著負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米纖維膜的過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力和品質(zhì)因子均先升高后降低，負(fù)離子釋放量呈上升趨勢(shì)。當(dāng)負(fù)離子粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，PVDF納米纖維對(duì)PM 2.5的過(guò)濾效率可達(dá)98.6%，過(guò)濾阻力僅為105 Pa，負(fù)離子釋放量為2 026 個(gè)/cm3。