聚乳酸复合空气过滤材料的制备及性能研究

朱 蕾，王银利，杨瑞华，王鸿博

(江南大学纺织服装学院，江苏 无锡 214122)

工业生产和日常生活中不可避免会产生有害有毒的气体和粉尘微粒，研究高性能、低成本、环保的过滤材料，可有效改进有害气体排放。

聚乳酸纤维因具有优良的吸湿透气性、抑菌性、可降解性等性能，而引起人们的广泛关注。张幼珠等[1-4]研究了纳米级PLA材料的空气过滤性能,探讨了无纺布过滤材料的过滤性能及其评价机制，认为面料的制备工艺和过滤条件对材料过滤性能起到一定的影响。Gowariker、许钟麟 等[5-8]建立了简单的多孔过滤材料的过滤模型，并对两种不同状态的气体过滤进行了模拟。以上研究者对聚乳酸静电纺材料和空气过滤材料作了一定的研究，但将聚乳酸静电纺纳米材料和无纺布面料的复合并没有做深入的研究，尤其将聚乳酸与无纺布过滤材料复合并用于口罩过滤材料的研究，在应用上未见文献报道。

本文将普通的无纺布过滤材料与静电纺丝纳米纤维进行复合，并研究其空气过滤性能。

1 实 验

1.1 材料与设备

分子质量7万的聚乳酸颗粒、二氯甲烷、三氯甲烷、二甲基甲酰胺( DMF)、水刺无纺布、熔喷无纺布。 自制静电纺丝装置。扫描电镜观察纤维形貌(S-570型，日本HITACHI公司)。采用自动滤料检测仪(TSI8130，美国)，测试滤速为5.3 cm/s、测试颗粒为KCl等测试复合材料的空气过滤性能。

1.2 纺丝液制备

以二氯甲烷和三氯甲烷为纺丝溶剂，分子质量7万的聚乳酸颗粒(PLA)为纺丝溶质。按照实验设计取二氯甲烷9 mL，三氯甲烷6 mL，即二氯甲烷与三氯甲烷为3∶2(v∶v)。

根据实验所需纺丝液的质量分数为10%，称取相应的聚乳酸颗粒(PLA)1.50 g。将溶液置于磁力搅拌器上，室温下搅拌5 h，使溶质充分溶解，得到均匀的溶液即为第一组纺丝液，使其与水刺PLA无纺布进行复合。

以二氯甲烷和二甲基甲酰胺( DMF)为纺丝溶剂，分子质量7万的聚乳酸颗粒(PLA)为纺丝溶质。按照实验设计需要量取二氯甲烷10 mL，二甲基甲酰胺5 mL，即二氯甲烷与二甲基甲酰胺为2∶1(v∶v)。根据实验所需纺丝液质量分数为8%，称取相应的聚乳酸颗粒(PLA)1.20 g，制备相应的溶液。将溶液置于磁力搅拌器上，室温下搅拌5 h，使溶质充分溶解，得到均匀的溶液作为第二组纺丝液，使其与熔喷PLA无纺布进行复合。

1.3 实验过程

将纺丝液倒入纺丝管中，调整纺丝管高度与接收屏的位置，使喷丝头与接收屏的中心位于同一水平线上，二者的距离为12 cm；将阳极接在针头(规格为 12号)上，阴极粘在接收屏上并接地，在接收屏上粘一块大小合适的铝箔，并将无纺布贴于铝箔，缓慢调整电压至16 kV，进行静电纺丝。纺丝液的推进速度为0.5 mL/h，纺丝液处于稳定的无液滴自然下垂状态，在喷丝口形成稳定的泰勒(Tylor)锥。纺丝时间3 h。

2 结果与讨论

2.1 PLA纳米纤维/水刺无纺布复合材料

在温度21 ℃、相对湿度67%条件下，采用8130自动滤料测试仪测试所制得的PLA纳米纤维/水刺无纺布复合材料的空气过滤阻力和效率，测试结果见表1，其中颗粒粒径0.3～0.5 μm，测试颗粒为KCl。

表1 PLA纳米纤维/水刺无纺布复合材料过滤效率

一般常规PLA水刺材料的过滤效率几乎为0。根据表1可以看出，其表面接收静电纺纳米材料后，过滤效率大幅提高。纳米材料厚度为1 mm时复合材料过滤效率可达到26.12 %，纳米材料厚度为2 mm 时其效率平均提高到45.88 %，但纳米材料厚度提高时其阻力也增大。

2.2 PLA纳米纤维/熔喷无纺布复合材料

采用TSI8130 测试仪器，测试滤速为5.3 cm/s、测试颗粒是KCl等条件下测试静电纺纳米纤维与熔喷非织造布复合后的过滤效率，测试结果见表2。

表2 PLA纳米纤维/熔喷无纺布复合材料过滤效率

经测试，熔喷无纺布的过滤效率为80.1%, 阻力为9.8Pa。从表2测试结果可以看出，熔喷非织造布在表面接收聚乳酸纳米膜后，当纳米材料厚度为1 mm时熔喷纳米复合材料的过滤效率可提高23.7%； 纳米材料厚度为2 mm时，熔喷纳米复合材料的过滤效率可提高24.6%，但在这两种厚度下纳米材料的过滤阻力都较大。

由以上两组实验数据可以看出，随纳米材料厚度的增加，样品的过滤效率均有不同程度的提高。图1和图2分别为PLA纳米纤维放大1 200倍和10 000倍的静电扫描图。从图中可以看出在该纳米纤维复合材料中，纳米纤维形成大量的小孔隙，且纤维直径远小于过滤粒子直径，过滤性能得到提高。但随着纳米纤维层厚度增加使试样中的孔隙数目快速增多，平均孔隙面积减小，纳米纤维复合材料的过滤阻力也随之增加。

从理论上分析，过滤材料孔隙率越大，则纤维之间的空隙越多，所以透气性越好，阻力越小；同样纤维直径越大，纤维网相对排列越疏松，透气量越大，阻力越小。过滤材料孔隙率越小纤维填充率越大，对粒子的干涉作用越强，捕集效率也就越高，过滤效率越好，但其阻力较大。随着纤维直径的增大，非织造布的过滤效率逐渐降低，这是由于纤维粗到一定程度时，纤维比表面积过小，纤维对微粒的吸附阻拦作用减弱，使其过滤性能变差[9]。因此需要合理控制过滤材料的孔隙率，以达到过滤效果和阻力最佳效果。

图1 纳米纤维表面形态(放大1 200倍)

图2 纳米纤维表面形态(放大10 000倍)

3 结 论

将静电纺PLA纳米纤维分别直接纺制在水刺非织造布和熔喷非织造布上，制成PLA纳米/非织造布复合材料，并测试其对粒径为0.3～0.5 μm的KCl颗粒的过滤效率和过滤阻力。测试结果表明，当纳米材料厚度为2 mm时，与纳米材料复合后的水刺非织造布复合材料的过滤效率从近乎0提高到45.88%； 当纳米材料厚度为1 mm左右时，提高到26.12%。与厚度为2 mm和1 mm的纳米材料复合时，熔喷非织造布纳米复合材料的过滤效率分别提高了24.6%和23.7%。

[1] 张幼珠，吴桂林.静电纺丝PLA丝素复合纤维膜的结构与性能 [J].合成纤维工业，2008，31(3)：1-4.

[2] 温占波，鹿建春.口罩滤材对非生物颗粒气溶胶和微生物气溶胶过滤效率的评价 [J].中国消毒学杂志，2009，26(5)：487-490.

[3] 刘洋，徐安长，陈倩，潘志娟.静电纺丝工艺对PA6/MWNTs纳米纤维纱结构与性能的影响 [J].纺织学报, 2010, 31(3)：1-6.

[4] 严希康，俞峰伟.纳米过滤膜的应用 [J].中国医药工业杂志, 1997, 28(6)：280-288.

[5] Gulrajani M L.高性能无纺布过滤技术[J].纺织信息周刊, 2005,20(6)：15.

[6] 王曙东, 李双燕, 张幼珠, 王红卫.静电纺PLA取向超细纤维膜的结构与性能[J] .产业用纺织品，2009, 228 (9)：8-11.

[7] Gowariker V R, Viswanathan N V, Sreedhar J.Polymer Science [M].New York; John Wiley, 1986.

[8] 许钟麟.空气洁净技术原理[ M ] .上海: 同济大学出版社，1998 : 1 - 90.

[9] 马驰，吴玥，俞建勇.PBS静电纺非织造布结构与过滤性能的关系分析[J].产业用纺织品，2008(5)：13-15.