基于机织格栅的三维复合耐高温过滤材料的开发*

刘 华 瞿才新 王曙东

(盐城纺织职业技术学院，盐城，224005)

基于机织格栅的三维复合耐高温过滤材料的开发*

刘 华 瞿才新 王曙东

(盐城纺织职业技术学院，盐城，224005)

以芳砜纶为原料，在芳砜纶机织格栅上复合静电纺芳砜纶纳米纤维，获得增强三维复合过滤材料。通过扫描电镜、红外光谱仪、X-衍射仪、热分析仪以及电子织物强力仪等仪器对复合过滤材料的结构及其性能进行测定。结果表明:纳米纤维层与机织格栅相互嵌合成三维复合过滤材料;静电纺丝法可制备连续、均匀、无珠状物并含有大量孔隙的芳砜纶纳米纤维;红外光谱和X衍射表明静电纺丝和材料复合不影响芳砜纶纤维的内部结构;该三维复合过滤材料具有优异的耐高温性能、良好的过滤效果和力学性能，对直径0.5 μm以下的粒子达到85%以上的过滤效率，复合材料的断裂强力大于1 000 N。

机织格栅，芳砜纶，静电纺丝，复合，过滤材料

现代钢铁工业、电厂、有色金属工业等工业领域中产生的高温含尘烟气给环境和人类健康造成了很大的影响，采用怎样的过滤材料直接决定着高温含尘废热烟气的过滤、排放效果。目前国内外众多科研人员已将耐高温滤材作为一项热门课题来研究，且对高温滤材的原料选择、结构尺寸以及性能要求也越来越高。近年来，纳米纤维过滤材料以其普通过滤材料无法比拟的优异性能而得到较为广泛的应用，而静电纺丝法是目前制备纳米级过滤材料的一项简单、可行的技术［1-3］，且制得的纳米纤维具有高比表面积和高孔隙率，对小直径的粒子具有优异的过滤效果。Aussawasathien［4］将静电纺PA 6纳米纤维膜(纤维直径30～110 nm)用作水预过滤膜，发现其能够完全清除1～10 μm微粒，对0.5 μm 微粒的过滤效率达到 90%;Qin 等人［5］用聚乙烯醇(PVA)在PVA熔喷非织造布以及纺粘非织造布基质上进行静电纺丝，制备了纳米过滤材料，其静电纺丝纤网的平均纤维直径为200 nm，网的最小孔径为600 nm，且铺置静电纺丝纤网后，复合过滤材料的过滤效率明显高于纺粘非织造布基质。但是，采用静电纺丝法制备的纳米级过滤材料强度较低，且尺寸稳定性不好，严重限制了其在产业上的应用。而机织布则强度高，且尺寸稳定性高，但机织布孔径分布单一，孔隙率较低，过滤效果较差，尤其对小直径的粒子的过滤效果更差。为克服现有技术存在的不足之处，本课题组开发一种结构稳定、强度高、使用寿命长、过滤效果好的增强纳米纤维耐高温三维过滤材料。

芳砜纶(PSA)，学名为聚苯砜对苯二甲酰胺纤维，是主链上含有砜基的无规共聚物，由对苯二甲酰氯和4’4-二氨基二苯砜及3’3-二氨基二苯砜为主要原料聚合制成成纤聚合物后，溶解于二甲基乙酰胺中，然后经湿纺工艺和干纺工艺加工而成，由于芳砜纶大分子主链上存在强吸电子的砜基基团，通过苯环的双键共轭，既有对位又有间位的结构，大分子链上又有砜基存在，所以具有优异的耐热、耐燃及耐腐蚀性能，在300℃热空气中加热100 h强力损失小于5%［6-8］。本研究首先是在织机上织造芳砜纶机织格栅，并作为基质材料，再通过将芳砜纶纤维溶解于N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)/氯化锂(LiCl)溶剂中制成纺丝溶液，通过静电纺丝的方法，以机织芳砜纶格栅为收集装置，在芳砜纶机织格栅上收集芳砜纶纳米纤维膜，从而获得增强静电纺芳砜纶纳米纤维三维过滤材料。通过扫描电镜、红外光谱仪、X-衍射仪、热分析仪以及电子织物强力仪等仪器对三维过滤材料的结构及其性能进行测定，为将该三维过滤材料应用于产业化提供理论基础。

1 实验部分

1.1 芳砜纶机织格栅的织造工艺

芳砜纶机织格栅的经、纬纱均为芳砜纶长丝，经纬纱的细度均为99 dtex，采用Y200S型电子织布小样机织造芳砜纶机织格栅，为了使三维复合过滤材料具有优异的过滤效果，格栅的组织为纱罗组织，网孔尺寸5 mm×5 mm，经纬纱的密度分别为96根/10 cm和72根/10 cm，小样的幅宽为30 cm。

1.2 芳砜纶纳米纤维的制备

将芳砜纶纤维于80℃的条件下溶解于LiCl质量比例为4%的DMAc的溶剂中，配制质量分数为13%的均匀纺丝液，在自行设计的静电纺丝装置上制备芳砜纶纳米纤维膜，高压直流电源的正极与纺丝针头(0.9 mm)相连，将芳砜纶机织格栅置于接地的金属接收装置上。静电纺丝的条件为电压25 kV，纺丝距离为15 cm，纺丝液喂入速度为0.1 mL/h。

1.3 芳砜纶纳米纤维的形貌结构及孔隙直径

用日本电子公司JSM型扫描电子显微镜观察纳米纤维支架的形貌，分别放大1 000和5 000倍。采用photoshop软件中的度量工具测定纳米纤维的图上直径，对比扫描电镜照片的标尺算的纳米纤维的实际直径，并得到纳米纤维的平均直径。

由芳砜纶纳米纤维的电镜照片可以看出纳米纤维显现灰色，且表层纤维颜色浅，中间层颜色深，孔隙部分显现黑色。因此，采用photoshop软件，将芳砜纶纳米纤维扫描电镜照片按其色阶—强度曲线分为三部分。低色阶为芳砜纶纳米纤维膜的孔隙部分(经软件处理后的白色部分)，高色阶为芳砜纶纳米纤维膜的表层纤维(经软件处理后的黑色部分)，其余色阶为中层纤维部分。再根据Vaz［9］描述的方法，计算芳砜纶纳米纤维膜的孔隙面积，再把面积拟合成圆，求的孔隙直径的大小。

1.4 三维复合过滤材料的微观结构及耐高温性能

用美国尼高力公司Nicolet5700系列红外光谱仪、日本理学 2027型 X-射线衍射仪和美国PerkinElmer公司diamond型热分析仪测定该三维复合耐高温过滤材料的红外光谱图、X-射线图谱和热失重(TG)图谱，测试方法及测试条件见文献［10-11］。

1.5 过滤效果评价

将三维复合过滤材料剪成直径为8 cm的圆形，采用YG461型数字式织物透气仪测定过滤材料的透气性能，设定压差为127 Pa;采用CLG-03A型激光尘埃粒子计数器测定三维复合过滤材料对不同直径粒子的过滤效率。

1.6 力学性能测定

将三维复合过滤材料剪成三条5 cm×35 cm的长条，在YG026B型电子织物强力机上测定三维过滤材料的断裂强力及伸长。测试条件为拉伸速度20 cm/min，夹持长度20 cm，预张力100 cN，以三次测量值的平均值作为该试样的断裂强度和断裂伸长率。

2 结果与讨论

2.1 三维复合过滤材料的复合机理

该三维复合耐高温过滤材料并不是后纺制的芳砜纶纳米纤维与先前织制的芳砜纶机织格栅的简单叠加，而是会产生芳砜纶纳米纤维与芳砜纶机织格栅的界面协同作用，纳米纤维与格栅复合的界面是该三维复合耐高温过滤材料产生界面效应的原因［12-13］。研究表明三维复合材料中的基体材料主要起到固钳的作用，而本研究所制备的三维复合过滤材料，基体材料是芳砜纶机织格栅，格栅的纱线直径及孔洞均大于静电纺纳米纤维，因此在静电纺丝时，在巨大静电场力作用下，芳砜纶纳米级纤维(直径较小)瞬时到达芳砜纶机织格栅上(直径和孔隙较大)，致使芳砜纶纳米级纤维具有足够的速度及空间飞行并固嵌到基体材料芳砜纶机织格栅中，使得纳米纤维层与机织格栅相互嵌合成三维复合过滤材料。

图1所示为芳砜纶纳米纤维与芳砜纶机织格栅相互嵌合的示意图，芳砜纶纳米纤维直径较小，嵌合到直径和孔隙较大的芳砜纶机织格栅中去，受到机织格栅的固钳作用，形成界面，进而产生协同效应，这样芳砜纶纳米纤维就与芳砜纶机织格栅很好地复合在一起，从而应用在产业中，特别是应用在煤炭、发电等领域时，能抵抗高的外力作用，而芳砜纶纳米纤维膜与芳砜纶机织格栅能够有机的结合在一起，不产生分离。

图1 三维复合过滤材料构建时芳砜纶纳米纤维嵌入机织格栅示意图

2.2 芳砜纶纳米纤维的形态结构及孔隙直径

图2(a)、图2(b)分别显示的是放大1 000倍和放大5 000倍的三维复合过滤材料芳砜纶纳米纤维的SEM照片。将芳砜纶溶解于DMAc/LiCl中，在上述工艺条件下进行静电纺丝，纺出成纤良好、连续均匀、无珠状物产生、平均直径为(1 242±231)nm的芳砜纶纳米纤维。

作为过滤材料，需有大量的孔隙及合适的孔隙直径。为进一步清晰地分析芳砜纶纳米纤维的孔隙并准确地计算其孔隙直径，采用photoshop软件将图2(a)放大1 000倍的芳砜纶纳米纤维按照其色阶—强度曲线［图2(c)］进行处理，使得孔隙部分可以清晰的显现出来，图2(d)中，低色阶部分(白色部分)为芳砜纶纳米纤维的孔隙，高色阶部分(黑色部分)为芳砜纶纳米纤维膜的表层纳米纤维。反之，图2(e)中，高色阶部分(黑色部分)为芳砜纶纳米纤维的孔隙，低色阶部分(白色部分)为芳砜纶纳米纤维膜的表层纤维。

图2 静电纺芳砜纶纳米纤维膜SEM照片

由图2(d)可见，芳砜纶纳米纤维膜表面存在大量的孔隙，孔隙的分布及形态可由图2(e)的黑色部分所示，同样表明芳砜纶纳米纤维膜存在大量并可贯穿孔隙，据图2(e)和图2(f)计算纤维膜的孔隙面积，将面积拟合成圆，求得孔隙直径由从几十纳米到几微米不等，平均孔隙直径为(1 164±242)nm(表1)。由表1还可见，基于机织格栅的芳砜纶纳米纤维的平均直径及孔隙直径较纯芳砜纶纳米纤维的变化大不，表明机织格栅对纳米纤维的形态、直径及孔隙影响不大，同时也表明静电纺丝以及材料的复合对纳米纤维的结构及形貌影响不大。

表1 基于机织格栅的芳砜纶纳米纤维直径及孔隙直径

2.3 三维过滤材料的微观结构及耐高温性能

采用红外光谱［图3(a)］和X-衍射［图3(b)］来表征该三维复合过滤材料的微观结构。由红外光谱图及表2三维复合过滤材料的特征吸收峰可见，该三维复合过滤材料结构中存在仲氨基、酰胺Ⅰ键、酰胺Ⅱ键、酰胺Ⅲ键等基团，上述分析表明该三维复合过滤材料的微观结构中存在—CONH—基团;1 101 cm－1处是—SO2—(砜基)的特征吸收峰;833 cm－1处是苯环的特征吸收峰;上述对三维复合过滤材料的微观结构分析表明该三维复合过滤材料的微观结构与芳砜纶纤维的结构吻合［14］，表明静电纺丝及材料的复合并没有改变基体材料及复合材料的微观结构。由X-衍射图谱可见，该三维复合过滤材料的结晶衍射峰较平滑，表明该复合材料为无规共聚物，与芳砜纶的结晶结构一致，同样表明静电纺丝及材料的复合并没有改变基体材料及复合材料的结晶结构。采用热失重曲线［图3(c)］来表征该三维复合耐高温过滤材料的耐高温性能。有图3(c)可见，该三维复合过滤材料在50℃以前质量保持恒定，几乎没有发生热失重，随着温度的逐渐升高，复合过滤材料的质量保持率逐渐开始下降，表明该三维复合过滤材料开始发生分解，但由图3(c)可见，在400℃前复合过滤材料的质量保持率下降较缓慢，超过400℃以后下降较为剧烈，至450℃附近时，该三维复合材料的质量保持率仍保持在90%左右，表明该三维复合过滤材料具有优异的耐高温性能。

表2 三维复合耐高温过滤材料的红外特征吸收峰

图3 三维复合过滤材料微观结构及耐高温测试曲线

2.4 三维复合过滤材料的过滤效果及其力学性能

测定三维复合过滤材料的透气性能、过滤效率及其力学性能，作为对照，同时测定纯芳砜纶纳米纤维膜以及机织格栅的上述性能，结果见表3。由表3可见，三维复合过滤材料具有良好的透气性能586 L/(m2·s)，且具有优异的过滤效率，对0.5 μm以下的粒子达到85%以上的过滤效率，对0.5～1 μm的粒子达到90%以上的过滤效率;相对于纯芳砜纶纳米纤维膜其透气性能有一定的下降，但是过滤效率显著提高;机织格栅的透气性能虽好(因为格栅的孔洞较大)，但是其基本起不到过滤的作用。三维复合过滤材料的断裂强度为(1128±28)N(大于1 000 N)，已达到产业用的要求，其断裂伸长率为(36.8±2.4)%，表明该三维复合材料具有良好的弹性;由表3可见，复合材料的力学性能与机织格栅的力学性能基本保持一致，同样表明静电纺丝及材料复合并没有对芳砜纶的结构产生影响，而相对于纯芳砜纶的力学性能，复合材料的断裂强力远远高于纯芳砜纶纤维膜，但是断裂伸长率较纳米纤维膜有一定的下降;纯芳砜纶纳米纤维膜虽具有良好的过滤效果，但是其力学性能严重限制了其在产业上的应用。

表3 三维复合过滤材料的过滤效果及力学性能

3 结论

(1)复合过滤材料的纳米纤维层与机织格栅相互嵌合成三维复合过滤材料，纳米纤维层与机织格栅有机的复合在一起，不会受外力影响而分离。

(2)通过静电纺丝法可成功地制备成纤良好、纤维连续均匀、无珠状物的芳砜纶纳米纤维，纤维的平均直径为(1 242±231)nm;复合材料的纳米纤维层上存在大量的孔隙，孔隙的平均直径(1 164±242)nm。

(3)红外光谱和X衍射表明静电纺丝和材料复合并没有影响芳砜纶纤维的内部结构;热分析结果表明该三维复合过滤材料具有优异的耐高温性能。

(4)该三维复合过滤材料具有良好的过滤效果和力学性能，对直径0.5 μm以下的粒子达到85%以上的过滤效率;三维复合过滤材料的断裂强力大于1 000 N，可用于产业化。

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Development of the three-dimensional blended heatresisting filter materials based on the woven grating

Liu Hua，Qu Caixin，Wang Shudong
(Yancheng College of Textiles Technology)

To develop the filter materials with excellent machanical，filterable and heatresisting properties，the PSA was used as materials.The three-dimensional blended filter materials were obtained by blended the electrospun PSA nanofibers and PSA grating.The structure and properties of the blended materilas were characterized by means of SEM，FTIR，XRD，TG-DSC and electronic fabric tensile tester.The results showed that the electrospun PSA nanofibrous membrane could adhere to the woven grating well.The PSA nanofibers with continuous，homogeneous，non-beaded fibers and higher porosity.FTIR and XRD results indicated that the electrospinning and blending did not affect the microstructure of the PSA fibers.The three-dimensional belended filter materials had excellent heatresisting，filterable and mechanical properties，which had more than 85%filter efficiency to the particles with diameter less than 0.5 μm.The breaking strength of the blended filter materials was higher than 1 000 N.

woven grating，PSA，electrospinning，blending，filter materials

102.512

A

1004－7093(2011)10－0007－06

* 盐城纺织职业技术学院重点课题(yfy1047)

2010－04－01

刘华，男，1970年生，副教授。主要研究方向为纺织新材料和纺织教育。

王曙东，E-mail:sdwang1983@163.com。