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静电纺聚乳酸纳米纤维复合滤料的过滤性能研究
作者:管理员    发布于:2017-06-21 14:12:26    文字:【】【】【

  熔喷非织造布具有很好的过滤效率,是近年来广泛应用的一种空气过滤材料。但随着科学技术的进步,对过滤精度及处理环境污染要求的提高,对纤维过滤材料的研究开发越来越重视。由纳米纤维形成的纳米纤维毡具有纳米级微孔,其中纳米级纤维可形成孔隙小、孔隙率高、且孔隙内外贯通性好的三维网状结构,过滤效率和过滤精度都能够大大提高。并且纳米纤维毡的孔隙率、孔径和孔径分布可随纤维直径、纤维毡的层次与厚度进行调整,因此纳米级纤维毡在过滤材料领域有着广阔的应用前景。

  静电纺丝法是目前制备纳米纤维重要、直接的方法。

  制得的纳米纤维由于其直径小,纳米纤维毡的机械强度相对较低、使用寿命短,须将纳米纤维与基布复合,可以直接将静电纺纳米纤维收集到普通的过滤材料上,提高过滤性能。TimothyGrfe等己经介绍以玻璃纤维、涤纶、尼龙和纤维素纤维作为基材的过滤材料。康卫民等通过静电纺制备了直径在80500nm范围内的聚己二酸己二醇酯纳米纤维和驻极体熔喷非织造布与纳米级纤维的复合膜,在气流速度为3m粉尘的过滤效率高达基金项目:江苏省自然科学基金(BK2010140)99.9.高晓艳等以质量分数为22的PA6/甲酸溶液为纺丝液,以3种具有不同过滤效果的传统空气过滤材料为基布,制备PA6纳米纤维复合材料。发现随着静电纺丝时间的增加,基布上沉积纳米纤维层的增多,复合材料中的孔隙数目按指数规律增加,平均空隙面积、孔隙率和透气率则按指数规律下降,透气率与孔隙率之间呈线性关系。

  1,(b)分别为放大3000倍的PLA熔喷非织造布和PLA静电纺纤维的SEM图片,从图可以看出,静电纺纤维与熔喷法得到的纤维相比,具有更细的直径,直径分布更为均匀,经测量可知PLA熔喷非织造布中的纤维平均直径大概为21m,而静电纺PLA纤维为620nm左右。

  PLA纳米纤维SEM2熔喷非织造布及复合材料的孔隙率孔隙率是影响非织造过滤材料过滤性能的一个重要参数,直接影响着过滤材料的过滤效率和过滤阻力,孔隙率增加,则纤维与纤维间的空隙增多,过滤材料的透气性增加,对滤尘的拦截效率减少,即过滤效率下降。测量各个样品的厚度和计算所得的孔隙率如表1所示。

  表1过滤材料厚度及孔隙率厚度H/mm孔隙率n/由表1可以看出:随着纺丝时间的增加,复合过滤材料的厚度增大,孔隙率有所减少。PLA熔喷非织造布中单纤维在空间层层交错排列,其平均直径在2 1pm左右,形成孔隙率较高的三维立体结构。而静电纺丝形成的PLA纳米纤维毡是由更细的纤维搭建形成,直径在620nm左右,细纤维间能够形成更紧密的交错排列,有利于纤维毡密度的提高,从而使孔隙率变小。因为此处是纳米纤维层与熔喷层复合,纳米纤维层的厚度与熔喷层的厚度相比,占有的比例非常小,所以孔隙率下降并不是很明显。

  3孔径及孔径分布非织造布过滤材料的过滤效率与纤维的直径有密切关系。纤维直径减小,过滤材料的孔径和透气性减小,过滤材料的过滤效率提高。静电纺丝形成的纳米纤维在熔喷非织造布表面形成一层具有纤维细度细、孔径小、孔隙数目多的纳米纤维毡,这样在过滤时可以拦截尺寸更小的粒子来提高过滤效率,同时透气性也会减小,即压力降增大。所示的为各过滤材料的孔径及孔径分布情况,由图可以看出,随着纺丝时间的增加,孔径在不断减小,孔径分布先分散后集中。

  各过滤材料孔径及孔径分布情况从可看出未与静电纺纳米纤维层复合的熔喷PLA非织造布己具有尺寸比较小、分布比较均匀的孔隙,孔径在21 21.5卩m之间的孔隙己经达到85以上。当与静电纺丝纳米纤维层复合时,如(b)所示纺丝时间为05h,复合过滤材料的孔径大部分分布在16. 321pm之间,分布比较分散,但孔隙尺寸变化明显;从(c)、(d)可以看出,纺丝时间分别为1h和2h时,孔径与0 5h的相比也在减少,并且不断朝小孔径的方向分布;如(e)所示,当纺丝时间为3h时,孔径在8310pm之间的孔隙占了79的比例,在1012pm之间的孔隙占了20.52,其它孔径分布几乎为零。静电纺过程中,原先PLA熔喷非织造布的“大孔”随着更细的纳米纤维的沉积,渐渐地变成相对的“小孔”在这变化的过程中,孔径的分布则由原先的集中分布变为朝小孔径方向的分散分布,在随着纺丝时间的增加,更多的纳米纤维则产生更多的“小孔”

  使孔径分布的相对集中。随静电纺时间的延长,纳米纤维层形成孔径较小、分布均匀的孔隙,这样对细小粒子的拦截更加有利,提高过滤效果;同时纳米纤维搭建密实使孔隙率降低,与上述孔隙率的测试结果相符,也会直接导致过滤阻力的增加。

  Z4过滤效率及过滤阻力直径较细的纳米纤维形成的纳米纤维毡填充密实,形成的孔隙小,过滤效率提高,过滤阻力增大。表2所示纳米纤维含量不同的各样品对不同粒径粒子的过滤效果,可以清楚地看出,复合纳米纤维的PLA熔喷非织造布的过滤效率与没有复合的滤布相比,对不同粒径的粒子过滤效率都有提高,特别对于粒径比较小的粒子,效果更为明显。从容易看出,纺丝时间对粒径为03pm和0.5pm的粒子的过滤效率影响十分明显,原样只有将近40和50的过滤效率;当纺丝时间为05h时就增加到将近70和80的过滤效率;纺丝时间到2h时,均达到了99以上,可见纳米纤维层对小粒径粒子过滤精度的提高起到了突出的作用。

  表2各滤布对不同粒径粒子的过滤效率过滤效率/丝时间的延长,压力降在不断增加,这与前面孔隙率、孔径、过滤效率的测试结果相一致。复合过滤材料在过滤效率提高的同时,压力降增大,系统能耗相应会增加,我们往往希望过滤材料能满足高效低阻的要求,提高过滤精度的同时减少能耗,节约费用。从上述讨论可知:过滤效率的提高必然连带孔隙率的减小、过滤阻力的增大。过滤效率与过滤阻力是过滤过程中的一个矛盾,是研发高效低阻过滤材料的焦点问题。

  3结论本研究原料PLA熔喷非织造布里的纤维直径平均为2.1pm,利用静电纺丝法可制得更细的纤维,PLA纳米纤维直径在620nm左右。利用PLA纳米纤维形成的纳米纤维层与PLA熔喷非织造布复合得到绿色环保的复合空气过滤材料,其孔隙率、孔径及孔径分布、过滤效率和压力降都随着纺丝时间的不同而变化。随着纺丝时间的增加,孔隙率减少,孔径在不断减小,孔径分布先分散后又不断集中,当纺丝时间增加到2h时,对0.3pm以上的粒子过滤效率达到了99以上,静电纺丝法制备的纳米纤维层能够有效地改善普通过滤材料的过滤性能,但对于过滤效率与过滤阻力这一矛盾需要进一步的探究和探索。

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