芳纶纳米纤维毡/聚苯硫醚高温超过滤材料的制备及其性能

王 成，姚理荣，陈宇岳

(1.浙江纺织服装职业技术学院纺织学院，浙江宁波 315100;2.苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215021;3.南通大学纺织服装学院，江苏南通 226019)

我国当前正处于经济发展的重要转型期，对于传统高能耗、高污染行业带来的环境污染问题越来越重视。据有关部门统计，钢铁、水泥、冶金、化工、电力以及垃圾焚烧等高污染行业带来的经济损失每年超过1 000亿元人民币，其生产过程中产生的烟雾粉尘对人体健康危害巨大，所以对烟雾粉尘过滤材料的开发研究显得尤为重要。过滤材料按其使用温度可分为常温过滤材料(使用温度低于150℃)、高温过滤材料(使用温度介于150～300℃之间)和超高温过滤材料(使用温度高于300℃)［1］。常温过滤材料通常使用各种常见天然或是合成纤维材料，超高温过滤材料主要是选用无机材料以适应超高温环境，高温过滤材料主要是选用高性能纤维，包括PPS、芳纶、PTFE 和 P84等［2-4］。过滤材料除满足一定的使用条件(如强度、温度、酸碱)外，过滤效率和压降是2个最重要的考虑因素［5］。普通过滤材料因其自身性能的限制，对超微粒子(粒径小于1 μm)的过滤性能很难在高温高效上得到兼顾，而这种超微粒子可直接穿透人体细胞，对环境和人体危害较常见粉尘更甚［6-8］。本文通过高压静电纺丝技术制备纳米芳纶纤维毡，与PPS针刺非织造布复合后对粒径低于1 μm的超微粉尘具有优异的过滤性能，从而为制备高温高效过滤材料提供新的技术参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

间位芳纶纤维(Ar，杜邦中国集团有限公司)，聚苯硫醚针刺非织造布(PPS，南通新绿叶非织造布有限公司，厚度为0.67 mm)，N-二甲基乙酰胺(DMAc，国药集团化学试剂有限公司，分析纯)，无水氯化锂(LiCl，上海巨枫化学科技有限公司，分析纯)。

1.2 芳纶溶液制备

间位芳纶纤维于120℃下真空干燥2 h，配制一定浓度的DMAc/LiCl溶液，将一定质量的烘干后芳纶纤维浸渍于其中，在100℃恒温下磁力搅拌至形成透明淡黄色溶液。

1.3 纳米芳纶/PPS复合毡制备

静电纺丝装置如图1所示。将PPS针刺纤维毡裁剪成尺寸为20cm×20cm的方形样品，剪去纤维毡表面过长的纤维，然后置于接收台上，纤维毡与接收台之间用双面胶固定。将配制好的间位芳纶溶液注入注射器中，注射器针头内径为0.5 mm，纺丝液流量为1 mL/h，接收距离为20cm，纺丝电压为22 kV。

图1 静电纺丝装置Fig.1 Electrospinning set-up

控制纺丝时间制备不同厚度的芳纶纳米纤维膜。用测厚仪分别测试PPS非织造布和芳纶纳米纤维/PPS复合毡的厚度，结果如图2所示。可以看出，芳纶纳米纤维毡厚度随静电纺丝时间的增加而不断增加，按纺丝时间1、2、3、4、5 h分别制备5 个样品 Ar-1、Ar-2、Ar-3、Ar-4、Ar-5。

图2 芳纶纳米纤维膜厚度与纺丝时间关系Fig.2 Relationship between thickness of nanofiber membrane and electrospinning time

1.4 测试仪器及方法

1.4.1 微观结构观察

仪器为S-570型扫描电子显微镜。测试条件：电压为1 kV，电流为8 mA，喷金处理后观察。

1.4.2 热分析

仪器为PE公司产Diamond TG-DTA型热分析仪。测试条件：升温速度为10℃/min，扫描温度范围为室温至600℃，N2气氛，流量为20 mL/min。

1.4.3 强度测试

纳米芳纶纤维非织造布的力学性能测试参考文献［1］。采用日本KES-G1型织物张力仪，非织造布厚度为0.02～0.2 mm，长×宽为50 mm×10 mm，拉伸速率为100 mm/min。

1.4.4 过滤效率测试

采用美国TSI 8130型自动滤料检测仪。测试条件为：测试气凝胶，NaCl;样品直径11.29cm;气流速度32.0 L/min;样品表面流速5.34cm/s;压力994.8 hPa;温度26.5℃;相对湿度34.5%。测试时，PPS非织造布为2层叠加，复合毡为PPS/芳纶纳米纤维/PPS三明治结构。

2 结果分析

2.1 芳纶纳米纤维的热性能

图3 示出芳纶纤维和芳纶纳米纤维的热失重曲线。2种纤维在100℃的失重过程主要是纤维中的水分和残余溶剂挥发。其中，芳纶纤维在426℃附近出现1个明显的失重过程，这主要是因芳纶纤维大分子的热降解引起的;而芳纶纳米纤维有2个热失重过程，分别出现在166℃和486℃附近。芳纶纤维在热降解前随温度升高其质量几乎没有损失，表明芳纶纤维具有优异的热稳定性，而芳纶纳米纤维热失重特征明显区别于芳纶纤维，随温度升高芳纶纳米纤维质量逐渐减少。使芳纶纳米纤维热性能降低的原因主要有2个：一是芳纶纳米纤维中大分子主要为无定形结构;二是纳米纤维中卤化盐LiCl的存在使纤维在高温条件下耐热性能降低。

图3 芳纶纳米纤维热分析曲线Fig.3 TG curves of meta-aramid nanofibers

2.2 温度对芳纶纳米纤维形貌的影响

图4 为经不同温度处理后芳纶纳米纤维的微观形貌照片。当芳纶溶液质量分数为11%时［9-10］，静电纺制得的纳米纤维毡力学性能较优，因此本文选用相同工艺条件制备芳纶纳米纤维毡，并将纤维毡于不同温度下处理一定时间后观察其形貌与性能变化。由图可看出，未经热处理的芳纶纳米纤维表面较光滑，随着处理温度的升高，纳米纤维表面出现剥蚀和纤维变细的迹象，这是由于纳米纤维中残存溶剂、小分子在高温下不断挥发;另外，在高温下卤化盐LiCl可能使芳纶纤维大分子不断降解，从而出现剥蚀和质量损失。

图4 不同温度条件下芳纶纳米纤维的微观形貌(×10 000)Fig.4 Morphology images of meta-aramid nanofibers at different temperatures(×10 000).(a)Untreated;(b)Treated for 7 d at 150℃;(c)Treated for 7 d at 200℃;(d)Treated for 7 d at 250℃

2.3 温度对芳纶纳米纤维毡强度的影响

图5 示出芳纶纳米纤维毡经不同温度处理后其断裂强度和伸长率的变化情况。图中显示随着处理温度的升高，芳纶纳米纤维毡的断裂强度和断裂伸长率有所下降。但由于复合毡采用PPS/芳纶纳米纤维/PPS三明治结构，双面的PPS纤维毡起到支撑和降温的作用，当带有高温粉尘的气体通过PPS纤维毡到达芳纶纳米纤维毡后其温度会明显降低，这种三明治结构将有效地保护纳米芳纶纤维毡的使用性能。

图5 不同温度下芳纶纳米纤维毡的力学性能(Ar-2样品，不同温度下热处理7 d)Fig.5 Mechanical properties of meta-aramid nanofiber mats(Ar-2 sample at different temperatures for 7 d)

2.4 芳纶纳米纤维/PPS复合毡过滤性能

图6 示出芳纶纳米纤维/PPS复合毡的过滤性能情况。由图可看出，普通PPS针刺非织造布对粒径位于0.1～0.6 μm之间超微粒子过滤效率低于70%，对粒径为0.3 μm左右微粒的过滤效率甚至低于40%。而使用芳纶纳米纤维毡后，复合毡对粒径在0.1～0.6 μm之间超微粒子过滤效率都达到99.9%，显示出对超微粒子优异的过滤性能。PPS针刺非织造布对超微粒子过滤效率较低的原因是因为普通PPS纤维直径过大，通常超过10 μm，制成毡后纤维之间的孔径过大，当粉尘粒径小于其孔径时可以直接穿过纤维毡，从而无法实现过滤。纳米纤维毡的优点是比普通纤维毡具有更小的孔径分布和高孔隙率，对超微粒子具有良好的分离、过滤性能。同时，纳米纤维和普通PPS纤维中不同尺寸纤维和孔径分布形成有效的梯度结构，可对不同粒径粉尘选择性过滤。由图还可看出，芳纶纳米纤维毡厚度对超微粒子的过滤效率影响不大，因此，纳米纤维毡的使用也可有效地节省材料。

图6 芳纶纳米纤维/PPS复合毡的过滤性能Fig.6 Filter efficiency of nano-aramid/PPS composite mats

2.5 芳纶纳米纤维/PPS复合毡压降

图7 示出芳纶纳米纤维/PPS复合毡过滤时的压降特性。由上述分析得出，芳纶纳米纤维/PPS复合毡比PPS纤维毡具有更高的过滤效率，但在纤维毡过滤性能中，过滤效率不是唯一的影响因素，另一个重要的影响因子是压降，即带有粉尘气体经过滤材料前后的压力差，压降是过滤材料使用过程中能耗的重要指标。图7显示，PPS针刺非织造布压降较小，而随着芳纶纳米纤维毡厚度的增加复合毡的压降不断增大。影响纤维毡过滤材料压降的因素主要有纤维尺寸、孔径大小和纤维毡厚度等，芳纶纳米纤维毡中纤维直径和孔径明显小于PPS纤维毡，从而在过滤时产生更高的阻力。另外，PPS纤维毡对超微粒子过滤效率低，很多粒子直接穿过纤维毡，而芳纶纳米纤维毡将超过99.9%的超微粒子截留在纤维毡表面或是纤维毡中，这些粒子对纳米纤维毡中的孔径形成阻塞，也增加了滤材的阻力。

图7 芳纶纳米纤维/PPS复合毡的压降Fig.7 Pressure drop of nano-aramid/PPS composite mats

3 结论

1)以DMAc/LiCl溶解间位芳纶纤维，采用高压静电纺丝法可制备直径为100～500 nm的纤维毡。芳纶纳米纤维毡具有良好的耐热和力学性能。

2)芳纶纳米纤维/PPS复合毡对粒径位于0.1～0.6 μm之间超微粒子过滤效率达到99.9%，明显高于普通PPS纤维毡70%以下的过滤效率。

3)芳纶纳米纤维/PPS复合毡过滤时压降随芳纶纳米纤维毡厚度的增加而不断增大，因此，可根据需要选择较薄的芳纶纳米纤维毡。

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