周 文，俞建勇，張世超，丁 彬

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué) 紡織科技創(chuàng)新中心，上海 201620)

自新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情爆發(fā)以來(lái)，截至2022年6月28日，全球已累計(jì)報(bào)道確診新型冠狀病毒肺炎患者5.4億例，死亡632.6萬(wàn)例，給人類健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重威脅[1]。該病毒可通過呼吸道飛沫、氣溶膠等進(jìn)行傳播，因此，佩戴防護(hù)口罩可有效阻擋空氣中攜帶病毒的氣溶膠顆粒物，進(jìn)而防止病毒的傳播和感染[2]。目前，市售防護(hù)口罩的核心功能層主要為熔噴駐極非織造布，其通過靜電吸附作用對(duì)空氣中的微細(xì)顆粒物進(jìn)行有效過濾，但熔噴纖維直徑較粗(1～10 μm)、孔徑較大(2～20 μm)，且駐極電荷在高濕環(huán)境中易衰減、耗散，難以保障在長(zhǎng)期使用過程中的安全性[3]，因此，迫切需要開發(fā)高性能新型空氣過濾材料。

利用靜電紡絲技術(shù)可制備出具有納米級(jí)直徑(50～1 000 nm)的纖維材料，該材料具有小孔徑、高孔隙率和高比表面積的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，可有效過濾捕集氣溶膠等顆粒物，同時(shí)允許氣體快速通過，有助于實(shí)現(xiàn)材料的高過濾效率和低阻力壓降，可廣泛應(yīng)用于空氣過濾等領(lǐng)域[4-5]?？蒲腥藛T已通過靜電紡絲法制備了聚氨酯、聚丙烯腈、聚酰胺等多種納米纖維過濾材料。其中，聚酰胺具有良好的力學(xué)性能和加工性能，因此，靜電紡聚酰胺納米纖維過濾材料受到了科研界的廣泛關(guān)注。Vitchuli等[6]以機(jī)織物為基材，通過調(diào)控溶液濃度、紡絲電壓、紡絲時(shí)間等參數(shù)制備了一系列納米纖維/機(jī)織物復(fù)合過濾材料，沉積聚酰胺納米纖維后的復(fù)合過濾材料比普通機(jī)織物的過濾效率提升了250%，但該材料的阻力壓降(約500 Pa)較大。隨后，Zhang等[7]在聚酰胺納米纖維材料中嵌入長(zhǎng)絲(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)和短纖(聚間苯二甲酰間苯二胺)，制備了具有穩(wěn)定立體空腔結(jié)構(gòu)的褶皺狀聚酰胺納米纖維膜，有效降低了氣流通過材料的阻力壓降(約100 Pa)，提升了該聚酰胺納米纖維膜的透氣性能。然而這些聚酰胺納米纖維過濾材料制備普遍采用甲酸等有毒溶劑，在紡絲加工過程中不僅會(huì)造成空氣和水污染等環(huán)境問題，而且會(huì)對(duì)操作人員的皮膚和黏膜造成刺激，可能導(dǎo)致結(jié)膜炎、支氣管炎等健康危害。此外，所得纖維材料會(huì)有殘留溶劑，也可能對(duì)使用者的身體健康造成威脅[8]。根據(jù)葛蘭素史克(GSK)溶劑選擇方法[9]，從環(huán)境、健康、安全等方面考慮，乙醇的綠色環(huán)保程度得分較高，其值為17，是比較環(huán)保的綠色溶劑；且水的綠色環(huán)保程度得分最高，其值為24，是最環(huán)保的綠色溶劑，因此，在紡絲溶液中加入水能進(jìn)一步提高體系的綠色環(huán)保性能。

綜上表明，使用乙醇、水為綠色溶劑制備的聚酰胺納米纖維過濾材料可有效解決有毒溶劑問題，但目前尚無(wú)相關(guān)研究報(bào)道。本文以乙醇為溶劑、水為非溶劑、共縮聚聚酰胺為聚合物原料，通過靜電紡絲技術(shù)制備聚酰胺納米纖維過濾材料。該聚酰胺是基于多元共縮聚工藝合成的，是可溶于乙醇的醇溶性聚酰胺。通過在聚酰胺/乙醇溶液中加入非溶劑水，不僅減少了乙醇用量，進(jìn)一步提高了醇溶性聚酰胺納米纖維膜的綠色環(huán)保性能，同時(shí)還使纖維細(xì)化，提高了材料的空氣過濾性能。本文研究了醇溶性聚酰胺紡絲液中非溶劑水的含量對(duì)纖維膜結(jié)構(gòu)和空氣過濾性能等的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

多元共縮聚醇溶性聚酰胺(重均分子量為45 000 g/mol)，上海臻威復(fù)合材料有限公司；乙醇(99.8%)，上海阿拉丁生化科技有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水(電阻為18.2 MΩ)。

1.2 納米纖維膜的制備

圖1為綠色溶劑型聚酰胺(GSPA)納米纖維膜的制備示意圖。按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%將多元共縮聚聚酰胺顆粒加至乙醇(作為溶劑)和水(作為非溶劑)的混合液體中，置于50 ℃的水浴鍋中并攪拌2 h，即可制備出均勻透明的紡絲溶液，其中乙醇和水的質(zhì)量比分別為10:0、9:1、8:2、7:3、6:4。

圖1 GSPA納米纖維膜的制備示意圖

紡絲實(shí)驗(yàn)均在DXES-8型多射流靜電紡絲機(jī)(上海東翔納米科技有限公司)上進(jìn)行，將紡絲溶液吸入5個(gè)注射器，該注射器搭載不銹鋼平口針頭(內(nèi)徑為0.6 mm)，溶液以恒定的灌注速度(1 mL/h)擠出針頭。所有注射器并排固定在可左右移動(dòng)的滑臺(tái)上，滑臺(tái)的移動(dòng)距離為20 cm，速度為100 cm/min。以聚丙烯非織造布作為接收基材，將其包覆于接地的不銹鋼滾筒表面，滾筒轉(zhuǎn)速為50 r/min；針尖和滾筒基材之間的工作距離為15 cm。通過直流高壓電源在針頭處施加30 kV的高壓，針尖處的高分子溶液在高壓電場(chǎng)力作用下脫離泰勒錐形成射流，并經(jīng)快速拉伸細(xì)化和相分離固化，在接收基材處獲得無(wú)規(guī)堆積的聚酰胺納米纖維。在紡絲過程中環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度分別為20～25 ℃和18%～22%。采用不同醇水質(zhì)量比(即10:0、9:1、8:2、7:3、6:4)的紡絲溶液制備的材料分別記為GSPA-0、GSPA-1、GSPA-2、GSPA-3、GSPA-4納米纖維膜，且纖維膜的面密度為(2.5±0.2)g/m2保持不變[10]。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 溶液性質(zhì)測(cè)試

采用LVDV-1T型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(上海方瑞儀器公司)和QBZY型表面張力儀(上海方瑞儀器公司)分別測(cè)試聚酰胺紡絲溶液的黏度和表面張力；采用FE30型電導(dǎo)率儀(瑞士Mettler-Toledo公司)測(cè)試溶液的電導(dǎo)率。

1.3.2 聚酰胺溶液濁點(diǎn)滴定

首先以乙醇為溶劑，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、6%、10%、14%、18%、22%的聚酰胺溶液，然后以水為非溶劑對(duì)聚酰胺/乙醇/水體系的濁點(diǎn)進(jìn)行滴定。在25 ℃環(huán)境下，用MicroPette型移液槍(北京大龍興創(chuàng)公司)在聚酰胺/乙醇溶液中緩慢滴加水，直到溶液剛變渾濁且攪拌30 min后不再澄清，即為滴定終點(diǎn)。記錄此時(shí)滴加的非溶劑水的質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算體系中的聚酰胺、乙醇、水所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3.3 納米纖維膜形貌結(jié)構(gòu)觀察

采用SU5000型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，日本Hitachi公司)觀察納米纖維膜的微觀形貌，工作距離為4 mm，加速電壓為10 kV；隨后用Adobe Acrobat軟件測(cè)量纖維直徑，每種樣品至少統(tǒng)計(jì)50根纖維。

1.3.4 納米纖維膜孔徑與孔隙率測(cè)試

采用CFP-1100AI型毛細(xì)管孔徑分析儀(美國(guó)PMI公司)測(cè)試納米纖維膜的孔徑，測(cè)試壓力為275.8 kPa。采用稱量法測(cè)試GSPA納米纖維膜的孔隙率(ε)，計(jì)算公式為

式中：ρ0為聚酰胺顆粒的密度，g/cm3；ρ為聚酰胺纖維膜的堆積密度，g/cm3。

1.3.5 納米纖維膜力學(xué)性能測(cè)試

使用ST200C型納米膜強(qiáng)力測(cè)試儀(蘇州昇特智能科技公司)測(cè)試?yán)w維膜的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。將GSPA納米纖維膜從基材上剝離，然后裁剪成大小為0.5 cm ×2 cm的長(zhǎng)條形進(jìn)行測(cè)試，夾持距離為1 cm，拉伸速度為20 mm/min。

1.3.6 納米纖維膜過濾性能測(cè)試

采用TSI8130型過濾測(cè)試儀(美國(guó)TSI公司)測(cè)試納米纖維膜的過濾效率和阻力壓降。所有材料在測(cè)試前均在模擬人體呼吸環(huán)境(溫度為37 ℃，相對(duì)濕度為80%)中放置2 h，以消除纖維中殘留電荷的影響[10]。使用最易穿透粒徑顆粒物PM0.3測(cè)試材料的過濾性能，氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生質(zhì)量中值直徑為0.26 μm的NaCl氣溶膠顆粒，在32 L/min風(fēng)速下測(cè)試不同GSPA納米纖維膜的過濾效率和阻力壓降[3-4]。隨后測(cè)試了GSPA-1納米纖維膜在不同風(fēng)速(10～90 L/min)下的過濾效率和阻力壓降。然后按照下式計(jì)算納米纖維膜的品質(zhì)因子：

式中：QF為品質(zhì)因子，Pa-1；η為過濾效率，%；ΔP為阻力壓降，Pa。

2 結(jié)果與討論

2.1 GSPA納米纖維膜的微觀形貌分析

圖2(a)示出含有不同醇水質(zhì)量比的紡絲溶液所制備的GSPA納米纖維膜的SEM照片和纖維平均直徑?？梢姡美w維均勻無(wú)串珠、表面光滑，纖維間呈現(xiàn)雜亂無(wú)序的堆積形態(tài)，且溶液中非溶劑水的含量對(duì)纖維膜直徑有較大影響。當(dāng)紡絲液中不含水時(shí)，GSPA-0納米纖維膜中纖維的平均直徑為499 nm。在紡絲溶液中添加少量的水(醇水質(zhì)量比為9:1)時(shí)，GSPA-1納米纖維膜中纖維的平均直徑顯著減小，僅為332 nm，且纖維之間的孔隙也隨之減小，這有助于提高材料對(duì)顆粒物的吸附和攔截。然而進(jìn)一步增加水的含量時(shí)，所得GSPA-2、GSPA-3、GSPA-4納米纖維膜中纖維的平均直徑又從443 nm逐漸增大至1 553 nm，如圖2(b)所示。

圖2 由不同醇水質(zhì)量比的紡絲液制備的GSPA納米纖維膜的SEM照片和纖維平均直徑

為分析GSPA納米纖維膜形貌變化的原因，進(jìn)一步對(duì)聚酰胺/乙醇/水三元溶液體系進(jìn)行研究。首先采用濁點(diǎn)滴定法繪制了聚酰胺/乙醇/水體系的三元相圖，見圖3(a)。圖中的圓點(diǎn)為通過滴定法測(cè)得的濁點(diǎn)數(shù)據(jù)，五角星為配制的不同醇水質(zhì)量比的紡絲溶液。將這些濁點(diǎn)擬合可得到聚酰胺/乙醇/水三元體系的雙節(jié)線，雙節(jié)線左側(cè)為穩(wěn)定區(qū)(即聚合物、溶劑、非溶劑形成均勻穩(wěn)定的透明溶液)，雙節(jié)線右側(cè)為非穩(wěn)區(qū)(即由聚合物、溶劑、非溶劑三者組成的溶液發(fā)生相分離，溶液分相不穩(wěn)定)[11]。可見，該多元共縮聚聚酰胺/乙醇/水三元體系的穩(wěn)定區(qū)比較寬，因此，即使在溶液中添加較多的非溶劑(水)，紡絲液依然均勻穩(wěn)定，而水是最為綠色環(huán)保的溶劑，符合當(dāng)今對(duì)聚酰胺纖維加工的綠色環(huán)保要求。在聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%的條件下，當(dāng)水占體系中乙醇與水總質(zhì)量的比例小于42%時(shí)，紡絲液即處于均相穩(wěn)定狀態(tài)，這解釋了本文實(shí)驗(yàn)紡絲液中醇水質(zhì)量比為6:4時(shí)仍能獲得均勻無(wú)串珠GSPA-4納米纖維的原因。

圖3 聚酰胺/乙醇/水體系的三元相圖和含不同醇水質(zhì)量比的聚酰胺紡絲溶液性質(zhì)

圖3(b)示出不同醇水質(zhì)量比條件下聚酰胺溶液的黏度、電導(dǎo)率和表面張力。在靜電紡絲過程中，對(duì)聚酰胺液體施加高壓靜電，當(dāng)液體表面電荷斥力超過其表面張力后，就會(huì)在噴頭處泰勒錐表面形成聚合物射流，且紡絲溶液的電導(dǎo)率越高，射流所受到的電場(chǎng)力拉伸作用越強(qiáng)，即可有效減小纖維直徑。當(dāng)聚酰胺溶液中加入少量非溶劑水(即醇水質(zhì)量比從10:0變?yōu)?:1)時(shí)，溶液的電導(dǎo)率從6.9 μS/cm增加至10.5 μS/cm，這可能是因?yàn)樗臉O性比乙醇更大[12]。通過在聚酰胺溶液中添加水不僅能減少有機(jī)溶劑使用量，進(jìn)一步提升紡絲液體系的綠色環(huán)保性能，還能提高紡絲液的電導(dǎo)率，增強(qiáng)高壓電場(chǎng)對(duì)射流的牽伸細(xì)化作用，使纖維直徑從499 nm減至332 nm。

此外，溶液黏度對(duì)纖維形貌也有較大影響。溶液黏度過小時(shí)，分子鏈之間纏結(jié)程度不夠，不能抵擋外部電場(chǎng)力作用而斷裂，只能形成串珠或珠粒結(jié)構(gòu)；而溶液黏度過大時(shí)，射流牽伸細(xì)化的阻力較大，所得纖維的直徑較粗。隨著體系中水含量的增加，溶液黏度明顯增大，從159 mPa·s大幅升高至384 mPa·s，這可能是因?yàn)榉侨軇┧募尤胧沟萌芤褐芯埘０反蠓肿渔湺蔚南嗷ノψ兇螅瑥亩鴮?dǎo)致高分子線團(tuán)的纏結(jié)程度增強(qiáng)[13]。當(dāng)體系中醇水質(zhì)量比從8:2逐漸變?yōu)?:3、6:4時(shí)，盡管溶液電導(dǎo)率仍在變大，但此時(shí)溶液黏度增加所導(dǎo)致的射流黏應(yīng)力占主導(dǎo)地位，抑制了電場(chǎng)力的拉伸，使得纖維直徑逐漸變粗，依次為443、704、1 553 nm。

2.2 GSPA納米纖維膜的孔結(jié)構(gòu)分析

因?yàn)殪o電紡纖維膜是由構(gòu)筑基元(納米纖維)無(wú)規(guī)堆積而成的，所以納米纖維膜的孔結(jié)構(gòu)受單根纖維結(jié)構(gòu)影響較大。圖4(a)示出GSPA納米纖維膜的孔徑分布。可知，GSPA納米纖維膜的孔徑大都分布在0.7～2 μm，而GSPA-4納米纖維膜的孔徑明顯較大(約為5 μm)，這是因?yàn)镚SPA-4纖維膜中纖維直徑較粗，纖維排列較為稀疏，使得纖維之間形成了較大的孔洞。當(dāng)紡絲液中添加少量水(醇水質(zhì)量比為9:1)時(shí)，所得纖維直徑則較細(xì)，相應(yīng)的GSPA-1納米纖維膜的堆積結(jié)構(gòu)最緊密、孔徑最小，且集中分布在0.7 μm左右；與不含任何非溶劑的GSPA-0纖維膜相比，GSPA-1納米纖維膜的平均孔徑減小了55%，這有助于提高對(duì)空氣中顆粒物的攔截捕獲能力。

圖4 由不同醇水質(zhì)量比紡絲液制備的GSPA納米纖維膜的孔結(jié)構(gòu)

圖4(b)示出GSPA納米纖維膜的孔隙率?？梢钥闯觯S著非溶劑水的增加，纖維膜的孔隙率先增加后降低。不含任何水的紡絲液所制備的GSPA-0納米纖維膜的孔隙率為82%。當(dāng)醇水質(zhì)量比為9:1時(shí)，纖維直徑最小，纖維膜的孔隙率有小幅增加，為84%。這說(shuō)明纖維越細(xì)，纖維之間連通孔隙數(shù)量越多，孔隙率越高，這與常懷云等[14]的研究結(jié)論一致。相應(yīng)地，當(dāng)非溶劑含量較大(醇水質(zhì)量比為6:4)時(shí)，所得纖維直徑變粗，纖維膜孔隙率也隨之降低，僅為63%。

2.3 GSPA納米纖維膜的力學(xué)性能分析

圖5示出GSPA納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率?？梢钥闯觯?dāng)紡絲液不含非溶劑水時(shí)，所制備的GSPA-0納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為4.8 MPa和185%。當(dāng)紡絲液中引入少量非溶劑后，所制備的GSPA-1納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度增大為5.6 MPa，這是因?yàn)樵诶w維膜面密度相同的條件下，其構(gòu)筑基元(即纖維)直徑越細(xì)，則纖維堆積結(jié)構(gòu)越致密，纖維膜集合體中的纖維根數(shù)就越多，纖維間接觸點(diǎn)和接觸面積增加，這就增大了纖維間的滑移阻力，從而提高了纖維膜的斷裂強(qiáng)度[15]；同時(shí)纖維間接觸點(diǎn)和接觸面積的增加限制了纖維之間的相互滑移，從而導(dǎo)致GSPA-1納米纖維膜斷裂伸長(zhǎng)率有所降低，為163.9%。

圖5 由不同醇水質(zhì)量比紡絲液制備的GSPA納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

當(dāng)紡絲溶液中水的含量進(jìn)一步增加時(shí)，即醇水質(zhì)量比從8:2向6:4改變時(shí)，所得GSPA納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度反而降低，從5.13 MPa逐漸減小為4.18 MPa；材料的柔韌性有所提升，斷裂伸長(zhǎng)率從182%增加至207%，這是因?yàn)槔w維直徑變粗所導(dǎo)致。以上結(jié)果表明，非溶劑含量對(duì)納米纖維膜的力學(xué)性能也有較大影響，GSPA納米纖維膜中纖維直徑越細(xì)，纖維膜的斷裂強(qiáng)度越高，而斷裂伸長(zhǎng)率越低。

2.4 GSPA納米纖維膜的空氣過濾性能分析

圖6示出紡絲液中醇水質(zhì)量比對(duì)納米纖維膜空氣過濾性能的影響。結(jié)果表明，由不同醇水質(zhì)量比(即10:0、9:1、8:2、7:3、6:4)的紡絲液制備的GSPA納米纖維膜對(duì)最易穿透粒徑顆粒物PM0.3的過濾效率分別為93.87%、99.02%、96.6%、84%、56.16%，說(shuō)明隨著溶液中非溶劑含量的增加，材料的過濾效率先增加后降低，且GSPA-1納米纖維膜對(duì)顆粒的攔截能力最強(qiáng)。這是因?yàn)榕c其它GSPA納米纖維膜相比，GSPA-1納米纖維膜中纖維直徑最細(xì)，由纖維堆積形成的纖維膜孔徑小、表面積大，使得材料對(duì)顆粒物的吸附和捕獲能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致顆粒物更難穿過纖維膜。

圖6 由不同醇水質(zhì)量比紡絲液制備的GSPA納米纖維膜的過濾效率、阻力壓降和品質(zhì)因子

阻力壓降與纖維材料的孔結(jié)構(gòu)也密切相關(guān)。與GAPS-0納米纖維膜相比，GSPA-1納米纖維膜的孔隙率略有增加，但孔徑減小更顯著。一方面，GSPA-1納米纖維膜的孔隙率增加可為氣體傳輸提供更豐富的通道，有助于降低壓阻；另一方面，纖維變細(xì)、孔徑明顯減小，使得氣流與納米纖維之間的摩擦更為顯著，增加了過濾阻力[16]。在這2個(gè)因素的競(jìng)爭(zhēng)作用下，GSPA-1納米纖維膜的阻力壓降增加，為158 Pa，說(shuō)明該纖維膜的孔徑變化對(duì)阻力壓降的影響更大。同時(shí)還可以看出，隨著水含量進(jìn)一步增加，當(dāng)醇水質(zhì)量比為8:2、7:3、6:4時(shí)，納米纖維膜的孔徑進(jìn)一步變大，提高了材料的空氣傳輸能力，其阻力壓降分別為122.3、70.6、34.3 Pa。由此可知，GSPA納米纖維膜的過濾效率提升時(shí)，也會(huì)使得阻力壓降增加、過濾阻力增大，說(shuō)明單獨(dú)利用一個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)過濾性能是片面的。為全面評(píng)價(jià)材料的過濾性能，引入了品質(zhì)因子，其綜合了過濾效率和阻力壓降這2個(gè)指標(biāo)，且品質(zhì)因子越大，材料的綜合過濾性能越好。當(dāng)醇水質(zhì)量比為9:1時(shí)，GSPA-1納米纖維膜的品質(zhì)因子最高，為0.029 3 Pa-1，表明其具有優(yōu)異的綜合過濾性能，因此，接下來(lái)針對(duì)該納米纖維膜展開進(jìn)一步研究。

圖7示出在不同風(fēng)速下GSPA-1納米纖維膜的過濾效率和阻力壓降?？芍?dāng)風(fēng)速?gòu)?0 L/min增加至90 L/min時(shí)，GSPA納米纖維膜的過濾效率逐漸下降。這是因?yàn)轱L(fēng)速增加使得顆粒物在納米纖維膜中的停留時(shí)間縮短，減小了顆粒通過擴(kuò)散效應(yīng)與纖維的接觸，從而減少了顆粒被吸附的機(jī)會(huì)[17]。盡管如此，在90 L/min的高風(fēng)速下GSPA-1納米纖維膜的過濾效率仍高于95%。此外，隨著風(fēng)速的增加，該納米纖維膜的阻力壓降呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)，從59.8 Pa增加到461 Pa，符合達(dá)西定律。這是因?yàn)轱L(fēng)速增加后，氣溶膠顆粒物和氣體分子具有更大的動(dòng)能，與納米纖維撞擊后動(dòng)量損失增加，對(duì)纖維的作用力增加，從而使過濾阻力變大。

圖7 不同風(fēng)速下GSPA-1納米纖維膜的過濾效率和阻力壓降

單纖維附近的氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以根據(jù)克努森數(shù)(Kn)的大小分為連續(xù)流態(tài)、滑移流態(tài)、過渡流態(tài)和自由分子流態(tài)，且Kn的計(jì)算公式為

式中：λ為空氣分子平均自由程，其值為65.3 nm；df為纖維直徑，nm。與常規(guī)熔噴非織造布(Kn為0.013～0.13)中處于滑移流態(tài)的氣流相比，GSPA-1納米纖維膜的Kn為0.24～0.84(見圖8)，此時(shí)氣流基本處于過渡流態(tài)，纖維直徑變細(xì)使得材料對(duì)氣流速度的削弱作用降低，單纖維滑移效應(yīng)增強(qiáng)[18]。

圖8 GSPA納米纖維的克努森數(shù)

圖9示出過濾后GSPA-1納米纖維膜的SEM照片?？梢?，納米纖維膜主要通過將PM0.3顆粒物吸附在纖維表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PM0.3的攔截和捕獲，因此，纖維直徑越小，其比表面積越大，相應(yīng)的納米纖維膜對(duì)微細(xì)顆粒物的吸附和捕獲能力就更強(qiáng)，從而具有更好的空氣過濾性能。

圖9 過濾后GSPA-1納米纖維膜的SEM照片

3 結(jié) 論

本文以乙醇為溶劑、共縮聚聚酰胺為聚合物，通過靜電紡絲技術(shù)制備了綠色溶劑型聚酰胺納米纖維過濾材料，該紡絲溶液體系避免了傳統(tǒng)聚酰胺納米纖維過濾材料制備對(duì)甲酸等溶劑的依賴，引入非溶劑水不僅提高了溶液體系的環(huán)保性能，而且減小了纖維直徑，增強(qiáng)了聚酰胺纖維膜的空氣過濾性能。分析了溶液體系中不同醇水質(zhì)量比對(duì)納米纖維膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，得出以下結(jié)論。

1)在紡絲溶液中添加適量的水能夠增加溶液電導(dǎo)率，減小纖維直徑；但水含量過高時(shí)，溶液黏度過大，反而使纖維直徑變粗。當(dāng)醇水質(zhì)量比為9:1時(shí)所得纖維最細(xì)，平均直徑為332 nm。

2)聚酰胺納米纖維膜具有良好的力學(xué)性能，當(dāng)醇水質(zhì)量比為9:1時(shí)，靜電紡聚酰胺納米纖維膜的斷裂強(qiáng)度最高，達(dá)到5.6 MPa，其斷裂伸長(zhǎng)率為163.9%。

3)當(dāng)醇水質(zhì)量比為9:1時(shí)，聚酰胺納米纖維膜的孔徑(0.7 μm左右)最小、孔隙率(84%)最高，其對(duì)PM0.3的過濾效率為99.02%，阻力壓降為158 Pa，品質(zhì)因子為0.029 3 Pa-1，空氣過濾性能優(yōu)于其它聚酰胺納米纖維膜。