近年来,随着我国工业化进程的加快和经济的发展,空气污染日益严重。据2018年生态环境部发布的全国城市空气质量报告显示,2018 年冬季(2018.10—2018.12)全国338 个地级及以上城市平均空气质量优良天数比例为81.5%,轻度污染天数比例为13.3%,中度污染天数比例为3.2%,重度及以上污染天数比例1.9%。与去年同期相比,优良天数比例上升3.2%,重度及以上污染天数比例上升0.2%。PM2.5平均浓度为46μg/m3,同比下降7.2%。但京津冀及周边“2+26”城市平均空气质量优良天数比例只有55.6%,同比下降5.9%,而且空气质量相对较差的20位城市大部分都分布在河北、河南、山西等北方地区。空气污染依然是我国一个比较严峻的问题。大气中直径≤2.5μm 的颗粒物统称为PM2.5,也被称为可入肺颗粒物,进入人体后会对心血管系统和呼吸系统造成严重伤害,从而导致哮喘、心血管疾病、肺癌等疾病。传统的空气过滤材料纤维直径粗、孔隙大,只能进行初级过滤,难以满足对微细颗粒物的有效过滤拦截。加上近年来环境污染加剧,物理、生物、化学污染日益严重,普通过滤材料不具备隔绝病毒等微小生物的能力,且产品笨重、透气透湿性能差,逐渐濒临淘汰。
静电纺纳米纤维具有直径小,孔隙率高、比表面积大等优势,可以有效拦阻直径较小的颗粒物,特别适用于开发空气过滤材料。目前国内外许多学者研究了纳米纤维膜的过滤性能,将6nm尼龙纤维(直径<500nm)电纺在传统空气过滤器上,发现纳米纤维膜密度的增加或纳米纤维直径的减小,都能提高过滤效率。将静电纺超细PA6纳米纤维和尼龙/棉织物复合,发现当纳米纤维膜厚度增加,过滤效率显著增加,可达99%以上,但压力降基本不变,突破了压力降随厚度增加而增加的瓶颈问题。天津津腾微孔滤膜复合过滤膜,并测试这种滤膜的空气过滤耐久性,结果表明该复合纤维滤膜的孔径和过滤效率随测试时间的增加无明显变化。静电纺聚丙烯腈纳米纤维膜,发现纺丝电压越大,纤维直径越小,膜的平均孔径越小,最小可低至2.7μm,此时过滤效率最佳,高达98.3%。
利用静电纺丝技术,以PP无纺布作为基底材料制备了无纺布-聚己内酯(PCL)纳米纤维复合滤膜,通过改变溶液质量分数和纺丝时间,制备了纳米纤维直径和厚度不同的复合滤膜,并分析纤维直径和纤维膜厚度对复合滤膜透气性、过滤效率和滤阻的影响。
仪器
扫描电子显微镜(SEM,蔡司sigma500),TSI8130自动滤料检测仪,YG461Z型全自动透气性能测试仪。φ13针式过滤器，天津津腾试验设备有限公司产品，SYD-265C运动粘度测定器，上海昌吉地质仪器有限公司产品。
纳米纤维复合滤膜的过滤性能过滤效率和阻力压降是过滤材料的最重要的性能指标之一,直接决定了材料的应用性能。不同质量分数和不同纺丝时间的PCL纳米纤维滤膜的过滤效率和阻力压降,不同纺丝时间条件下,随着PCL纳米纤维的质量分数从8%上升至16%,PCL纳米纤维滤膜的过滤效率基本呈现先增加后减小的趋势。质量分数为8%和16%的PCL纳米纤维滤膜的过滤效率较差,这主要是因为8% 的PCL纳米纤维表面存在串珠,纤维间的孔隙较大,对气溶胶颗
粒物的阻隔作用较小,过滤效率较低;16%的PCL纳米纤维直径较粗,滤膜的孔隙尺寸较大,过滤效率较低。而10%~14%的PCL 纳米纤维直径较小,且分布比较均匀,纤维膜对气溶胶颗粒物的阻隔作用较大,过滤效率较高。不同溶液质量分数的纳米纤维复合膜对气溶胶颗粒物的过滤效率随纺制时间的加长而有着明显的提高。因为随着纳米纤维成网的时间推进,积累在纤网上的纳米纤维越多,纤维交错的排列会有效的拦截过滤粉尘颗粒物,过滤效率才会越来越高。
天津市津腾试验设备有限公司成功制备了不同质量分数和不同纺丝时间的PCL纳米纤维复合滤膜,溶液质量分数和纺丝时间的变化会影响纳米纤维的直径和纤维膜厚度,并最终影响滤膜的透气性和过滤性能。研究表明随着溶液质量分数的增加,PCL纳米纤维的直径略有增加,纤维滤膜的透气性呈现先减小后增加的趋势,而纤维滤膜的过滤效率和阻力压降则都呈现先增加后减小的趋势。最后利用品质因子综合评定了不同的PCL纳米纤维滤膜的过滤效率和阻力压降,结果发现质量分数为14%的PCL溶液纺制10min时得到的滤膜,以及12%的溶液纺制20min得到的滤膜,品质因子比较高,性能优越的高效低阻空气过滤材料。
