劉雅熙 孫召霞 胡 健 梁 云

（華南理工大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州，510640）

隨著現(xiàn)代工業(yè)蓬勃發(fā)展，生態(tài)環(huán)境惡化隨之而來(lái)。大氣環(huán)境中飄浮著各種各樣的粉塵顆粒和微生物，這些微粒對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生、食品、生物工程、化學(xué)藥品制造、航天、電子、精密機(jī)械制造等行業(yè)都具有極大的危害[1]，因此人們對(duì)空氣過(guò)濾材料的需求進(jìn)一步提高。常見(jiàn)的空氣過(guò)濾材料大多由纖維制成[2]。纖維的直徑?jīng)Q定了空氣過(guò)濾材料的過(guò)濾性能、應(yīng)用環(huán)境和使用工況[3]。亞微米級(jí)纖維是高效和超高效空氣過(guò)濾材料不可或缺的纖維原料。

原纖化天絲和玻璃棉是2種用于制備空氣過(guò)濾材料的重要亞微米纖維，已有研究人員對(duì)這2種纖維的過(guò)濾性能開(kāi)展了相關(guān)研究工作[4-5]。亞微米纖維直徑較小、比表面積較大，有利于提高過(guò)濾材料的過(guò)濾效率，但纖維直徑的減小會(huì)使得過(guò)濾材料孔隙減小，導(dǎo)致過(guò)濾阻力增大[6]。原纖化天絲表面具有親水性羥基，表面張力會(huì)令纖維在加熱干燥過(guò)程中相互靠近，導(dǎo)致過(guò)濾材料的多孔結(jié)構(gòu)坍塌[7]。Mao等人[8]認(rèn)為，如果干燥狀態(tài)的原纖化纖維還可以保持其在濕態(tài)時(shí)的形貌，那么其可更好地捕獲細(xì)小顆粒，并且可以防止過(guò)濾材料的過(guò)濾阻力增加。陳海峰等人[9]認(rèn)為，采用低溫冷凍干燥方法，當(dāng)水由固態(tài)升華變?yōu)闅鈶B(tài)時(shí)，可以消除表面張力的影響，纖維間的距離大于氫鍵作用范圍，這樣即可保持纖維網(wǎng)絡(luò)的孔隙結(jié)構(gòu)不變。張美云等人[10]將經(jīng)過(guò)不同磨漿轉(zhuǎn)數(shù)處理得到的原纖化纖維配成一定濃度的纖維懸浮液，均勻地分散在培養(yǎng)皿中進(jìn)行冷凍干燥，分析了過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)和性能?？梢?jiàn)，干燥方式對(duì)空氣過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)的重要影響已得到研究人員的認(rèn)同，但對(duì)于原纖化天絲與玻璃棉這2種重要亞微米纖維的系統(tǒng)對(duì)比研究還未有報(bào)道。

本研究以原纖化天絲和玻璃棉這2種亞微米纖維為原料，制備了具有雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)的空氣過(guò)濾材料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)濾材），系統(tǒng)對(duì)比了加熱干燥和冷凍干燥對(duì)濾材過(guò)濾性能和形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，為更好地將亞微米纖維應(yīng)用于高性能空氣過(guò)濾材料提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

玻璃棉：平均直徑約0.8 μm，奇耐東響聯(lián)合纖維（沈陽(yáng)）有限公司；原纖化天絲：平均直徑約0.5μm，廣州華創(chuàng)化工材料科技開(kāi)發(fā)有限公司；PET無(wú)紡布：型號(hào)為NanoBase0 FPB1610，日本三菱制紙株式會(huì)社。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 濾材的制備

（1）原纖化天絲濾材的制備

以原纖化天絲為纖維原料，將纖維層定量設(shè)計(jì)為2、4、6、8、10 g/m2。纖維按設(shè)計(jì)定量稱(chēng)量，與2 L水一同疏解。在抄片器成形網(wǎng)上墊一層PET無(wú)紡布作為基材，再將纖維懸浮液倒入抄片器中，加水至10 L，而后纖維懸浮液在重力的作用下濾水沉降在PET無(wú)紡布上[11]（見(jiàn)圖1），得到成形的濕濾材。將PET無(wú)紡布及濕濾材一起放入105℃的平板紙樣干燥器（型號(hào)為PL7-C，咸陽(yáng)泰思特試驗(yàn)設(shè)備有限公司）中烘干至質(zhì)量恒定。

圖1 原纖化天絲濾材的濕法成形過(guò)程Fig.1 Wet-laid formation process of fibrillated lyocell filter media

（2）原纖化天絲混合玻璃棉濾材的制備

將纖維層的定量設(shè)計(jì)為4 g/m2，原纖化天絲與玻璃棉按0∶10、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0的比例混合，制備纖維懸浮液。按上述步驟得到成形的濕復(fù)合濾材后，分別將PET無(wú)紡布及濕復(fù)合濾材：①一起放入105℃的平板紙樣干燥器中烘干至質(zhì)量恒定；②一起放入?18℃的冰箱中冷凍12 h后，再放入溫度為?30℃、壓力為37 Pa的冷凍干燥機(jī)（型號(hào)為ALPHA 2-4 LD plus，德國(guó)MarinChrist公司）中干燥24 h至質(zhì)量恒定。

1.2.2 濾材形貌的觀(guān)測(cè)

采用掃描電子顯微鏡（SEM，型號(hào)為G2Pro Y，荷蘭Phenom-World公司）觀(guān)察濾材的表面及截面微觀(guān)形貌。

1.2.3 濾材性能的測(cè)試

采用氣體透過(guò)自動(dòng)測(cè)試臺(tái)（型號(hào)為T(mén)SI AFT 8130，美國(guó)TSI公司）測(cè)試濾材的過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力；采用毛細(xì)流量孔徑測(cè)試儀（型號(hào)為CFP-1100-A，美國(guó)PMI公司）測(cè)試濾材的平均孔徑，并借助全自動(dòng)氣體置換法真密度儀（型號(hào)為ACCUPYCⅡ1340，上海麥克默瑞提克儀器有限公司）和理想氣體狀態(tài)方程測(cè)定并計(jì)算濾材的孔隙率[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 原纖化天絲濾材

2.1.1 基材PET無(wú)紡布的主要性能

PET無(wú)紡布的定量約為10 g/m2，平均厚度約為14 μm，其照片與SEM圖如圖2所示。由圖2可知，PET無(wú)紡布中的纖維較扁，表面較為光滑，纖維之間的搭接和結(jié)合較為緊密。PET無(wú)紡布的過(guò)濾效率低于10%，過(guò)濾阻力在0.9~1.1 mm H2O的范圍內(nèi)。因此本研究中，PET無(wú)紡布主要起支撐纖維層的作用，對(duì)濾材的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

圖2 PET無(wú)紡布的照片與SEM圖Fig.2 Picture and SEM images of PET nonwoven

2.1.2 原纖化天絲濾材的結(jié)構(gòu)和性能

原纖化天絲濾材的表面及截面SEM圖如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，當(dāng)定量為2 g/m2時(shí)，原纖化天絲層過(guò)薄，不能完全覆蓋PET無(wú)紡布表面，有較大面積的PET無(wú)紡布裸露出來(lái)。當(dāng)定量≥4 g/m2時(shí)，原纖化天絲基本能完全覆蓋PET無(wú)紡布。

圖3 原纖化天絲濾材的表面SEM圖Fig.3 SEM images of fibrillated lyocell filter media(surface)

圖4 原纖化天絲濾材的截面SEM圖Fig.4 SEM images of fibrillated lyocell filter media(cross section)

原纖化天絲濾材的過(guò)濾性能如表1所示。由表1可知，隨著原纖化天絲層定量的增大，濾材的平均孔徑減小、過(guò)濾阻力增大、過(guò)濾效率提高。當(dāng)原纖化天絲層的定量≥4 g/m2時(shí)，濾材的過(guò)濾效率較符合實(shí)際過(guò)濾應(yīng)用。因而要研究不同干燥方式對(duì)濾材結(jié)構(gòu)和性能的影響，纖維層的定量應(yīng)至少為4 g/m2，并用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

表1 原纖化天絲濾材的主要性能Table 1 Main performances of fibrillated lyocell filter media

2.2 原纖化天絲混合玻璃棉濾材

按一定配比混合原纖化天絲和玻璃棉后制備原纖化天絲混合玻璃棉濾材。在其他實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)方法都相同的情況下，對(duì)原纖化天絲混合玻璃棉濾材分別進(jìn)行加熱干燥和冷凍干燥處理。

2.2.1 加熱干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的SEM圖分析

圖5和圖6分別是加熱干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的表面和截面SEM圖。結(jié)合圖5和圖6可知，隨著原纖化天絲占比的增加，纖維出現(xiàn)了明顯的聚集，纖維之間的距離減小，纖維層的蓬松程度降低，纖維層厚度減小，這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)使氣流穿過(guò)時(shí)受到較大的阻力，不利于發(fā)揮出亞微米纖維直徑小的優(yōu)勢(shì)。而玻璃棉可以撐開(kāi)聚集在一起的原纖化天絲并有效地穿插其間，在一定程度上減小原纖化天絲在加熱過(guò)程中由于水分蒸發(fā)所導(dǎo)致的收縮。

2.2.2 冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的SEM圖分析

為了盡量保持纖維在濕態(tài)時(shí)的形貌以及原纖化天絲混合玻璃棉濾材在濕態(tài)時(shí)的孔徑尺寸和孔隙分布，采用冷凍干燥的方式對(duì)原纖化天絲混合玻璃棉濾材進(jìn)行干燥處理。冷凍干燥是將濕濾材凍結(jié)成冰，然后在高度真空的環(huán)境下將冰升華為水蒸氣而使?jié)駷V材干燥的方法，有利于減少因降低固液界面的表面張力所導(dǎo)致的濾材多孔結(jié)構(gòu)的萎縮和坍塌。

圖7和圖8分別是經(jīng)冷凍干燥的原纖化天絲混合玻璃棉濾材的表面和截面SEM圖。結(jié)合圖7和圖8可知，隨著原纖化天絲占比增加，原纖化天絲混合玻璃棉濾材的厚度減小。冷凍干燥濾材與加熱干燥濾材的表面形貌和結(jié)構(gòu)差異顯著。這是因?yàn)樵w化天絲表面具有親水性羥基。在加熱干燥的過(guò)程中，表面張力將纖維之間的距離拉近，相鄰的羥基間距變小，形成氫鍵，增強(qiáng)了纖維之間的結(jié)合。但纖維之間的距離過(guò)小時(shí)，水與纖維表面會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)黏附，濾材孔隙率降低[13-14]。配比為10∶0的濾材（即純?cè)w化天絲濾材）經(jīng)加熱干燥后和冷凍干燥后的形貌變化最為明顯：加熱干燥的純?cè)w化天絲濾材纖維層較致密（見(jiàn)圖5（f）、圖6（f）），而冷凍干燥的純?cè)w化天絲濾材纖維層較為疏松（見(jiàn)圖7（f）、圖8（f））。這是因?yàn)榧訜岣稍飼?huì)使能吸水潤(rùn)脹的原纖化天絲隨著水分的蒸發(fā)而收縮，破壞了濾材的孔隙結(jié)構(gòu)，而冷凍干燥可以較大限度地保留原纖化天絲的原纖化結(jié)構(gòu)和形貌。配比為0∶10的濾材（即純玻璃棉濾材）經(jīng)加熱干燥后和冷凍干燥后的形貌變化較小。這是因?yàn)閷?duì)于表面沒(méi)有羥基、不會(huì)形成氫鍵的玻璃棉來(lái)說(shuō)，濾材的干燥方式不會(huì)使其形貌發(fā)生明顯變化。

圖5 加熱干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的表面SEM圖Fig.5 SEM images of heat-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers(surface)

圖6 加熱干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的截面SEM圖Fig.6 SEM images of heat-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers(cross section)

圖7 冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的表面SEM圖Fig.7 SEM images of freeze-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers(surface)

圖8 冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的截面SEM圖Fig.8 SEM images of freeze-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers(cross section)

2.2.3 加熱干燥濾材與冷凍干燥濾材的性能對(duì)比

加熱干燥和冷凍干燥的本質(zhì)區(qū)別是纖維間水分脫除方式的不同對(duì)濾材結(jié)構(gòu)的影響不同[15]（如圖9所示），而濾材的結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響濾材的過(guò)濾性能。

圖9 加熱干燥濾材和冷凍干燥濾材結(jié)構(gòu)變化示意圖Fig.9 Diagram of structural change of filter media prepared by heat-and freeze-drying，respectively

加熱干燥和冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的性能對(duì)比如圖10所示。由圖10可知，相同配比的冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材比加熱干燥濾材的過(guò)濾性能更優(yōu)異。當(dāng)原纖化天絲與玻璃棉的配比分別為2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0時(shí)，冷凍干燥濾材的過(guò)濾效率分別比加熱干燥濾材的過(guò)濾效率高3.5%、5.5%、9.8%、12.2%、12.0%，過(guò)濾阻力分別低20.4%、28.1%、23.3%、33.2%、47.9%。這說(shuō)明冷凍干燥可顯著提升濾材的過(guò)濾性能。當(dāng)原纖化天絲與玻璃棉的配比為0∶10（即純玻璃棉濾材）時(shí)，相較于加熱干燥的濾材，雖然冷凍干燥濾材的過(guò)濾效率基本不變，但其過(guò)濾阻力降低了26.3%。加熱干燥時(shí)，平板干燥器對(duì)濾材有一定大小的壓力，可能破壞濾材的孔隙結(jié)構(gòu)，這是冷凍干燥濾材過(guò)濾阻力比加熱干燥濾材低的原因之一。

圖10 加熱干燥和冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的性能比較Fig.10 Comparison of filtration performances between heated and freeze-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers

隨著纖維層中的原纖化天絲占比增加（即配比從0∶10逐漸增至10∶0），2種干燥方式得到的濾材的孔隙率減小。這是因?yàn)楫?dāng)纖維層的定量相同時(shí)，纖維的平均直徑越小，纖維之間的距離就越近。原纖化天絲直徑比玻璃棉小，交織更為緊密，會(huì)阻塞濾材的孔隙結(jié)構(gòu)。對(duì)比配比不同的冷凍干燥濾材的性能可以發(fā)現(xiàn)，原纖化天絲混合玻璃棉濾材的過(guò)濾效率大于純玻璃棉制備的濾材（過(guò)濾效率為90.64%）和純?cè)w化天絲制備的濾材（過(guò)濾效率為90.79%）。這說(shuō)明采用冷凍干燥的方式干燥濾材時(shí)，2種亞微米纖維的復(fù)配對(duì)濾材過(guò)濾效率的提升有積極作用。

3 結(jié)論

以PET無(wú)紡布為基材，以原纖化天絲和玻璃棉為纖維原料，制備了亞微米纖維復(fù)合空氣過(guò)濾材料（以下簡(jiǎn)稱(chēng)濾材），重點(diǎn)研究了加熱干燥和冷凍干燥對(duì)濾材過(guò)濾效率、過(guò)濾阻力、孔隙率等性能的影響。

3.1 冷凍干燥能較好地保留濕濾材中亞微米纖維的形態(tài)，減少纖維的收縮，此干燥方式對(duì)原纖化天絲的影響尤為顯著。

3.2 隨著玻璃棉占比減少，加熱干燥濾材的過(guò)濾阻力增大，過(guò)濾效率降低，孔隙率減小，平均孔徑減?。焕鋬龈稍餅V材各項(xiàng)性能的變化趨勢(shì)亦是如此，但其變化程度相對(duì)平緩。

3.3 當(dāng)原纖化天絲與玻璃棉的配比分別為2∶8、4∶6、6∶4、8∶2時(shí)，冷凍干燥濾材的過(guò)濾效率比加熱干燥濾材的過(guò)濾效率分別高3.5%、5.5%、9.8%、12.2%，過(guò)濾阻力分別低20.4%、28.1%、23.3%、33.2%。