王西賢, 郭天光, 王登科, 牛 帥, 賈 琳

(河南工程學(xué)院 紡織工程學(xué)院, 河南 鄭州 450007)

世界經(jīng)濟(jì)在快速增長的同時也帶來了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染,據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)2022年的研究顯示,惡劣的空氣質(zhì)量每年導(dǎo)致800萬人死亡[1]。顆粒物(PM)是環(huán)境污染物中的主要成分之一,是由極微小的液滴和固體顆粒組成,可隨著空氣流動而與人體接觸,對人類健康有著嚴(yán)重的危害。尤其是PM0.3,作為最易穿透粒徑(MPPS)顆粒物,具有粒徑小、比表面積大、活性強(qiáng)等特點(diǎn),使其傳播距離更遠(yuǎn)、可攜帶更多的有害物質(zhì)或病原體,且不易被捕獲或攔截,從而深入人體的肺泡和血液循環(huán)系統(tǒng)中,引起呼吸道和心血管疾病,甚至引發(fā)癌變[2-3]。病毒的大小為20～300 nm,極易與空氣中的顆粒物、水分子形成氣溶膠而隨氣流傳播。人類在面對PM0.3和病毒的侵害時,口罩、防護(hù)服、濾芯等防護(hù)產(chǎn)品成為日常生活中最有效的防護(hù)措施之一[4],但目前市場上纖維基防護(hù)用品主要是非織造布、玻璃纖維、活性炭等,其存在直徑粗、孔隙大和工藝較難控制等缺點(diǎn),難以對粒徑細(xì)小的PM0.3和病原體形成有效攔截[5]。

靜電紡絲法可制備出質(zhì)量輕、纖維直徑小、比表面積高、孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào),且連通性好、形態(tài)可控的納米纖維膜,能有效過濾細(xì)微顆粒[6-7]。同時納米級的纖維基過濾材料擁有較高的克努森數(shù),纖維周圍的空氣流動狀態(tài)為滑移流動區(qū),能顯著降低纖維對氣流的阻力,從而降低能耗[8]。聚丙烯腈(PAN)是制備納米纖維的重要原料之一,具有良好的熱穩(wěn)定性(熔點(diǎn)為317 ℃,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為85 ℃)、力學(xué)性能和耐溶劑性[9],且PAN中的—CN是較強(qiáng)的極性基團(tuán),可使聚合物分子鏈的偶極矩達(dá)到12.01×10-30C·m,能增強(qiáng)納米纖維與顆粒物之間的相互吸引作用,獲得更高的捕獲概率從而提高過濾效率[10]。納米銀顆粒作為功能性添加劑,被廣泛應(yīng)用于抗菌材料、生物學(xué)、光氧催化等領(lǐng)域[11]。利用靜電紡納米纖維的超細(xì)直徑、高比表面積等特性,與納米銀顆粒功能性的協(xié)同作用,可形成性能優(yōu)越、用途廣泛的功能性納米材料[12-13]。

目前,已對聚合物摻雜納米銀顆粒的抗菌性能進(jìn)行了大量研究:Shallaby等[14]利用靜電紡絲技術(shù)制備的PAN/Ag、PAN/CuO、PAN/ZnO復(fù)合納米纖維,對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌都有良好的抑菌作用,其中PAN/Ag的抗菌效果最好;Zhang等[15]將鈉米銀顆粒包埋在聚乙烯醇(PVA)納米纖維膜中,采用吸附法和濁度法研究了PVA/Ag纖維對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌性能等。文獻(xiàn)[11,16-17]研究發(fā)現(xiàn)聚合物摻雜鈉米銀顆粒紡制的納米纖維膜具有優(yōu)良的瞬時過濾性能,但鈉米銀顆粒作為添加劑用在空氣過濾及其長效性方面的報道還相對較少。本文在前人已證實(shí)Ag具有良好抗菌性能的基礎(chǔ)上,將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鈉米銀顆粒與PAN摻雜后配制成混合溶液,采用靜電紡絲技術(shù)制備了不同厚度的PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜,并對實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,探索其應(yīng)用于精準(zhǔn)過濾膜時的透氣率、透濕性、瞬時過濾效率和過濾性能的長效性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚丙烯腈(PAN,重均分子量為85 000),廣州市偉達(dá)精細(xì)材料有限公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF,分析純),天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;納米銀顆粒,平均粒徑為50 nm,宇航金屬材料有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的制備

在溶劑DMF中加入PAN和鈉米銀顆粒,配制純PAN溶液和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鈉米銀顆粒(0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)的PAN/Ag混合溶液,PAN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為12%。用錫紙嚴(yán)密包裹溶液瓶(防止鈉米銀顆粒氧化),在磁力攪拌器上攪拌12 h后,利用IKA ultra turrax T25 digital高速分散機(jī)(艾卡廣州儀器設(shè)備有限公司)在轉(zhuǎn)速為15 000 r/min的參數(shù)下分散15 min,得到均相溶液。

將配制好的溶液利用DHU-HX-800環(huán)形無針式靜電紡絲機(jī)(東華大學(xué))制備納米纖維膜,設(shè)備參數(shù)設(shè)置為:高壓電源45 kV,溶液推進(jìn)泵速率30 mL/h,接收距離30 cm,滾筒轉(zhuǎn)速100 r/min。不同鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)紡絲液紡制的納米纖維膜分別記為PAN/Ag-5、PAN/Ag-10、PAN/Ag-15和PAN/Ag-20。同時在鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%條件下,制備不同紡絲時間(20、30、40 min)的納米纖維膜,分別記為PAN/Ag-5-20、PAN/Ag-5-30、PAN/Ag-5-40。其它質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米纖維膜依此類推。

1.2.2 納米纖維膜的性能表征和測試

采用NDJ-8 S旋轉(zhuǎn)黏度計(上海越平科學(xué)儀器有限公司)和DDS-11A電導(dǎo)率儀(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測量紡絲液的黏度和電導(dǎo)率。

利用Sigma 500場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司公司)觀察納米纖維膜的微觀形貌,加速電壓為10 kV,并采用Image J軟件隨機(jī)測量50組SEM照片中納米纖維的直徑,求取平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。

利用Nicolet 6700傅里葉變換紅外光譜儀(美國Thermo Fisher 公司)測試分析納米纖維膜的化學(xué)結(jié)構(gòu),掃描范圍為4 000～650 cm-1。

采用JC2000C1接觸角測量儀(上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司)測試納米纖維膜的水接觸角。

參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》和GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分:吸濕法》,采用YG461Z全自動透氣性能測試儀(萊州市電子儀器有限公司)和YG601 H-II電腦式織物透濕儀(寧波紡織儀器廠)測試納米纖維膜的透氣性能和透濕性能。納米纖維膜的透濕率計算公式為

式中:WWVT為透濕率,g/(m2·d);t為實(shí)驗(yàn)時間,h;Δm為同一試樣吸濕前后質(zhì)量的差值,g;S為試樣實(shí)驗(yàn)的面積,m2。

利用TSI 8130自動濾料檢測儀(美國TSI集團(tuán))測試納米纖維膜在氣流速度分別為32和85 L/min時的瞬時阻力壓降和過濾效率。納米纖維膜的品質(zhì)因子(QQF)計算公式為

式中:η為過濾效率,%;ΔP為阻力壓降,Pa。

將PAN/Ag納米纖維膜密封式貼合在空調(diào)的濾芯上測試其在實(shí)際生活中的應(yīng)用可行性。采用格力KFR-72LW柜式空調(diào),空調(diào)濾芯的4個過濾片大小分別為14 cm×10 cm和14 cm×9 cm。在房間大小為54 m3的室內(nèi)燃燒檀香產(chǎn)生懸浮顆粒物,并利用風(fēng)扇提升PM2.5顆粒在室內(nèi)的分布均勻度,最后利用B5激光測霾儀(北京?？酥莿涌萍奸_發(fā)有限公司)監(jiān)測PM2.5顆粒在空調(diào)運(yùn)行風(fēng)速為3級,模式為制冷時室內(nèi)的顆粒物動態(tài)含量。測試環(huán)境:溫度為(25±2) ℃,相對濕度為(67±5)%。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米纖維膜微觀形貌分析

圖1示出PAN和PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的SEM照片?？芍?添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鈉米銀顆粒時,PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜中纖維之間均表現(xiàn)出較好的貫穿連通性和明顯的三維立體效果,纖維表面無黏連和紡錘體現(xiàn)象出現(xiàn),但纖維堆積的取向性較差,呈非織造布沉積分布狀態(tài)。直徑測試結(jié)果顯示:PAN/Ag-5復(fù)合納米纖維膜中纖維的平均直徑最小為(180±38) nm,納米纖維直徑主要集中在170 nm左右較小的范圍內(nèi),而標(biāo)準(zhǔn)方差(38 nm)比純PAN(57 nm)降低了150%。隨著鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的纖維直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差有一定增加,PAN/Ag-20復(fù)合納米纖維膜的平均直徑達(dá)到最大,為(234±33) nm,其直徑分布在140～320 nm之間,說明納米纖維的粗細(xì)分布有較大的起伏。綜上,鈉米銀顆粒的加入使PAN/Ag復(fù)合納米纖維直徑的標(biāo)準(zhǔn)方差比純PAN納米纖維均有了明顯改善,纖維的粗細(xì)均勻度更高。

圖1 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鈉米銀顆粒的納米纖維膜的直徑分布圖和SEM照片

為探討鈉米銀顆粒的加入對PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜微觀形態(tài)的影響,測量了影響靜電紡絲的2個重要參數(shù),即溶液的電導(dǎo)率和黏度,結(jié)果如圖2所示。

圖2 紡絲溶液的黏度與電導(dǎo)率

從圖2可看出,加入具有良好導(dǎo)電性能的鈉米銀顆粒提高了PAN/Ag紡絲溶液的電導(dǎo)率,且隨著鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,PAN/Ag紡絲溶液的電導(dǎo)率呈逐漸增加的趨勢。溶液電導(dǎo)率的增加,可以提高紡絲過程中泰勒錐和射流劈裂成絲時表面的電荷密度,因此,在電場作用下可以被施加更強(qiáng)的拉伸力,有利于牽伸或劈裂出更細(xì)的納米纖維[18]。

PAN/Ag紡絲溶液的黏度最高為1 137 mPa/s,比純PAN溶液的780 mPa/s增加了146%。溶液黏度的增加會使分子鏈之間纏結(jié)點(diǎn)增多,納米纖維劈裂、固化成絲的阻力變大,靜電紡絲時需要的電場拉伸力就更高,同時溶液的流變性能變差也會導(dǎo)致纖維直徑增加和成絲的穩(wěn)定性變差。在其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變的條件下,納米纖維直徑的形態(tài)是溶液電導(dǎo)率和黏度共同作用的結(jié)果,由測試結(jié)果可看出,PAN/Ag紡絲溶液的電導(dǎo)率和黏度均隨著鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸上升,說明在靜電紡絲過程中溶液所受的電場力和黏滯力均增加。PAN/Ag-5紡絲溶液電導(dǎo)率的增加對納米纖維形態(tài)的影響要大于黏度增加的影響,使PAN/Ag-5復(fù)合納米纖維的平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差均最小。值得關(guān)注的是:納米纖維表面未出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象,與本文作者研究TiO2的加入對PAN/TiO2微觀形態(tài)影響相比[19],鈉米銀顆粒和納米TiO2在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時,PAN/Ag復(fù)合納米纖維表面更為光滑,無超負(fù)載情況。這是因?yàn)?首先,聚合物PAN在復(fù)合材料中起到了穩(wěn)定劑的作用,可以有效包覆納米顆粒,而銀離子表面的氨基(—NH2)陽離子化會帶正電荷,與PAN納米纖維上帶負(fù)電荷的氰基(—CN)間相互作用也保證了二者有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),有效阻止了鈉米銀顆粒的再生長和團(tuán)聚,不易從纖維上脫落[9];其次,溶劑DMF可在室溫?zé)o還原劑的條件下減少Ag+還原成金屬銀,不易在纖維表面形成過載而生長在纖維表面上[20]。隨著鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到2.0%時,鈉米銀顆粒過載導(dǎo)致PAN/Ag復(fù)合納米纖維表面出現(xiàn)少量團(tuán)聚的鈉米銀顆粒。

2.2 納米纖維膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析

圖3 PAN和PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的紅外光譜圖

PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜沒有出現(xiàn)新的特征峰,但鈉米銀顆粒的添加使PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜紅外光譜圖中PAN的特征峰有一定減弱,且峰值整體有一定藍(lán)移,這種現(xiàn)象隨著鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加趨勢更加明顯。PAN分子與Ag+之間形成配位鍵的可能性較小,這是腈基與Ag+有較大可能發(fā)生聚合而導(dǎo)致的[24]。以上吸收峰的存在表明PAN結(jié)構(gòu)單元在聚合物鏈上具有長鏈和連續(xù)性,而鈉米銀顆粒的添加并未改變PAN的化學(xué)結(jié)構(gòu),未發(fā)現(xiàn)其它高價陽離子加入高聚物后出現(xiàn)明顯的縮聚現(xiàn)象[25]。

2.3 納米纖維膜的透氣和透濕性能分析

納米纖維膜的透氣性能和透濕性能會影響其舒適性能和過濾性能,透氣和透濕性能好的纖維膜有利于空氣與水汽流通,可改善與人體接觸時的觸感,也能降低過濾介質(zhì)的能耗,但同時因?yàn)橥高^氣體和顆粒概率的增加也會降低其過濾性能,所以衡量過濾介質(zhì)時,也要參考其透氣和透濕性能。圖4示出純PAN和PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的透氣、透濕性能和水接觸角。

圖4 不同紡絲時間下PAN和PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的透氣、透濕性能和水接觸角

由圖4(a)可知:PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的透氣性比純PAN納米纖維膜的更差一些,而PAN/Ag-5-40復(fù)合納米纖維膜的透氣率最小,為456.9 mm/s。這是因?yàn)樵谙嗤募徑z時間下,鈉米銀顆粒的添加使PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差都有一定的減小,納米纖維膜的纖維之間交錯堆積的孔隙間距,會隨著纖維直徑與標(biāo)準(zhǔn)方差的減小而減小,緊密的孔隙間距增大了空氣流動的拖曳力,從而導(dǎo)致透氣性差。隨著鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,纖維直徑、標(biāo)準(zhǔn)方差有所增大,再加上鈉米銀顆粒在纖維表面團(tuán)聚的原因,增加了纖維的孔隙和蓬松度,因此透氣性又有所回升。隨著紡絲時間的延長,膜表面固化的無序排列的纖維更厚,形成層疊狀態(tài),使纖維膜的面密度逐漸增加、透氣率減小。

隨著鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,PAN的含量會相對減小,透濕性能測試時纖維表面吸附水汽的能力就會有所下降。從圖4(a)可看出,不同紡絲時間制備的纖維膜的潤濕性曲線基本重合,呈線性下降,這說明PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的表面吸附是影響透濕性能的主要原因。但PAN/Ag-20復(fù)合納米纖維膜的透濕率比PAN/Ag-15又有所增加,這是因?yàn)榇藭r鈉米銀顆粒團(tuán)聚和纖維直徑較大等原因使孔隙變大,孔道擴(kuò)散時更有利于水汽通過納米纖維膜被吸濕劑吸收,所以透濕率有所增加。

從水接觸角測試結(jié)果可以看出,PAN納米纖維膜因?yàn)橛H水性腈基的存在,表現(xiàn)出較好的親水性。由Wenzel模型[26]可知,如果固體有親水性能,固體表面越粗糙越會放大其親水效果。從圖4(b)可以看出,因?yàn)镻AN/Ag-5-20納米纖維的直徑與標(biāo)準(zhǔn)差均最小,此時粗糙程度最低,水接觸角為112.5°,達(dá)到疏水效果;而紡絲時間越長,纖維膜的表面粗糙程度越大,親水性優(yōu)勢更為明顯。

2.4 納米纖維膜的過濾性能分析

一般為了追求更高的過濾效率,空氣過濾器不可避免地會有較高的壓降,這個效應(yīng)會造成巨大的能量損失[27],因此過濾效率和阻力壓降是過濾性能的主要測試參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)極性高聚物PAN在靜電紡絲過程中,高壓電場作用可使其分子的電偶極矩由雜亂無章的排列變?yōu)橛行蛉∠?產(chǎn)生極化現(xiàn)象。而鈉米銀顆粒附著在PAN納米纖維表面,可將絕緣的PAN納米纖維膜變成半導(dǎo)體材料并增強(qiáng)其靜電駐極的效果[28],但駐極效果會隨著存放時間、環(huán)境等因素而衰減,特別是淺陷阱中的大部分空間電荷會在300 min內(nèi)逃逸或是中和,只留下較為穩(wěn)定的電荷儲存在介質(zhì)中[29-30]。為更好地模擬實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用,本文在測試氣體流速為32 L/min下,將納米纖維膜存放在防塵罩下,靜置72 h后再進(jìn)行過濾性能測試,結(jié)果如圖5所示。

圖5 PAN和PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的過濾效率和阻力壓降

由過濾效率和阻力壓降曲線可以看出,二者的升降趨勢與納米纖維的直徑基本相同,這是因?yàn)槎叩拇笮∨c納米纖維的直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差有著密切關(guān)系。納米纖維的平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差越小,纖維膜的孔隙率、比表面積越大,能攔截的顆粒越多,因此,過濾效率和阻力壓降就越高[31],因此PAN/Ag-5的過濾效率和阻力壓降都達(dá)到了最高。對比相同紡絲時間內(nèi),不同鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備的納米纖維膜的過濾效率時發(fā)現(xiàn),只有PAN/Ag-5和PAN/Ag-15的過濾效率比純PAN納米纖維膜更高。這首先是因?yàn)樵摷{米纖維直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差均比純PAN納米纖維小。其次是:在紡絲過程中,伴隨著PAN聚合物固化收集裝置上的鈉米銀顆粒,會在高壓電場的作用下作為導(dǎo)體持續(xù)給納米顆粒周圍的聚合物高壓充電,形成獨(dú)立的電場,有效增加納米纖維中負(fù)極電荷捕集能量陷阱的密度和深度,從而將大氣中帶正電的懸浮顆粒物吸附在纖維表面,達(dá)到提高過濾效率的目的。雖然PAN/Ag-20復(fù)合納米纖維的直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差比純PAN納米纖維直徑更小,但因?yàn)橛锈c米銀顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象出現(xiàn)(見圖1(e)),顆粒的凸起會增大纖維間的孔隙,減小膜的比表面積,使NaCl顆粒從孔隙逃逸的機(jī)會增加,降低了過濾效率和阻力壓降。

紡絲時間的長短與過濾效率和阻力壓降有著正相關(guān)關(guān)系,紡絲時間越長,無序堆積的納米纖維膜越厚,纖維間的孔徑越深,單位體積內(nèi)的比表面積越大,顆粒物通過納米纖維時因擴(kuò)散效應(yīng)、慣性效應(yīng)和攔截效應(yīng)被過濾的概率增加,提高了過濾效率,且深層過濾的顆粒物會更多,容塵量增加,延緩了濾餅形成的時間,有利于延長納米纖維膜的使用壽命。從圖5可看出,PAN/Ag-5-40的過濾效率已達(dá)到99.935%,如果繼續(xù)延長紡絲時間,過濾效率增加的空間有限,只會增加阻力壓降,從而使納米纖維膜的成本和能耗增加,造成資源浪費(fèi)。

KN95或醫(yī)用口罩、空調(diào)過濾芯等纖維基防護(hù)產(chǎn)品在未開封的前提下,有效期限最少為2 a,為測試PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜在實(shí)際應(yīng)用中的可行性,將納米纖維膜保存在防塵罩中365 d后,再分別測試其在氣體流速為32 L/min(模擬人正常呼吸)和85 L/min(模擬人急促呼吸)時的瞬時過濾性能,測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 PAN和PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜放置365 d后的過濾效率和阻力壓降

對比圖5和圖6(a)可發(fā)現(xiàn),放置365 d后納米纖維膜的過濾效率和阻力壓降均有一定程度的降低。這是因?yàn)殡S著時間的推移,一部分淺陷阱電荷甚至深陷阱電荷也會逃逸到膜表面被空氣中的水分子中和,只剩下部分深陷阱空間電荷和偶極電荷,而此時納米纖維膜對PM0.3的過濾機(jī)制是擴(kuò)散和攔截為主的物理過濾[32]。另外,排除實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的誤差,過濾效率基本上降低了10%以上,而阻力壓降的降低幅度基本上都小于10%,也說明過濾效率和阻力壓降的降低是由PAN駐極后內(nèi)部電荷逃逸造成的。

對比圖6(a)、(b)可知,不同氣體流速下測試的納米纖維膜的過濾效率基本上保持不變或略有降低,而阻力壓降有2～3倍的增加。這是因?yàn)闅怏w流速變大時,一部分吸附在纖維表面上平均粒徑只有0.3 μm的 NaCl顆?？赡軙蛭搅Σ粡?qiáng)或慣性等原因,隨強(qiáng)氣流進(jìn)入孔道并通過納米纖維膜,空氣分子有更多的概率碰撞到纖維和表面吸附的顆粒,從而造成過濾效率變化幅度較小,而阻力壓降成倍的增加。對比可以看出:PAN/Ag-5-40復(fù)合納米纖維膜因纖維平均直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差最小,在不同的放置時間和不同的氣體流速條件下,都保持著最高的過濾效率。

品質(zhì)因子是反映過濾介質(zhì)有效性的重要參數(shù),其不僅考慮過濾效率,還要權(quán)衡過濾介質(zhì)的生命周期和運(yùn)行成本,因?yàn)樽枇航翟礁?過濾介質(zhì)運(yùn)行的成本越高和使用周期越短,能耗越高[33]。PAN和PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的品質(zhì)因子曲線如圖7所示。

圖7 PAN和PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的品質(zhì)因子

由圖7可知,在鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～2.0%,紡絲時間分別為20和30 min時,納米纖維的平均直徑與標(biāo)準(zhǔn)方差有所增加,再加上鈉米銀顆粒團(tuán)聚在纖維表面,增大了纖維間的孔隙,導(dǎo)致納米纖維膜的過濾效率減小,因此品質(zhì)因子呈下降趨勢。PAN/Ag-15-40復(fù)合納米纖維膜的品質(zhì)因子又有所提高,這是因?yàn)樵诩徑z時間為20和30 min時,納米纖維膜的過濾效率最高只有89.5%,并不能達(dá)到N95要求,不能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用;在紡絲時間達(dá)到40 min時納米纖維膜的過濾效率最小,為95.23%,阻力壓降也只有47.04 Pa,此時品質(zhì)因子有所升高。PAN/Ag-5的品質(zhì)因子最高,這是因?yàn)殁c米銀顆粒的添加使PAN/Ag復(fù)合納米纖維直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差最小;且紡絲時間為30 min時的品質(zhì)因子最高,為0.117 9 Pa-1,此時對應(yīng)的過濾效率為99.38%,阻力壓降為43.12 Pa,透氣率為539.1 mm/s(見圖4(a));繼續(xù)延長紡絲時間到40 min時,過濾效率只提高了0.55%,而阻力壓降增加了26.46 Pa,導(dǎo)致品質(zhì)因子較低,另外纖維表面團(tuán)聚的顆?？赡艽嬖趧冸x或脫落現(xiàn)象,會對人體造成傷害[34]。從成本、過濾性能、能耗等方面選擇最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:鈉米銀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%,紡絲時間30 min。

將上述分析的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)的PAN/Ag-5-30復(fù)合納米纖維膜進(jìn)行實(shí)際可行性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),室內(nèi)PM2.5的含量從250 μg/m3(嚴(yán)重污染)凈化到與當(dāng)天室外一樣的57 μg/m3(良好)時共用時134 min,過濾前后納米纖維膜形貌如圖8所示。可以看出,過濾前納米纖維膜表面為灰白色,過濾后納米纖維膜表面明顯出現(xiàn)虛線框中的黃漬色,此為濾芯過濾后的顆粒殘留物?？梢?納米纖維膜可以有效地將空氣中的顆粒物進(jìn)行過濾,避免二次污染。

圖8 PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜過濾顆粒物前后的外觀變化

3 結(jié) 論

1)本文通過靜電紡絲法,利用納米銀和聚丙烯腈(PAN)制備出不同參數(shù)的PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜,并研究測試了其微觀形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)、透氣性、透濕性、潤濕性和過濾性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn):鈉米銀顆粒的添加改變了納米纖維的微觀結(jié)構(gòu),PAN/Ag復(fù)合納米纖維的直徑和標(biāo)準(zhǔn)方差有明顯改善,且鈉米銀顆粒未與PAN發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

2)PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的透氣性與PAN納米纖維膜相比有一定的改善,且隨著紡絲時間的延長透氣性因面密度的增加而減小。PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜的潤濕性主要?dú)w因?yàn)楸砻嫖?比純PAN納米纖維有一定的減小。

3)將PAN/Ag復(fù)合納米纖維膜靜置72 h和365 d后,測試其瞬時過濾性能發(fā)現(xiàn),添加鈉米銀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、紡絲30 min制備的復(fù)合納米纖維膜的過濾效率為99.38%,阻力壓降僅為43.12 Pa,此時擁有最高的品質(zhì)因子,為0.117 9 Pa-1。將該復(fù)合納米纖維膜應(yīng)用在空調(diào)濾芯上能有效地將顆粒物吸附在納米纖維膜表面。本文研究拓寬了納米空氣濾材在實(shí)際生活中的應(yīng)用范圍,有望在精準(zhǔn)過濾領(lǐng)域開辟一條高效的、可持續(xù)的、新的實(shí)現(xiàn)途徑。