沉积静电纺聚丙烯腈纳米纤维膜窗纱的制备及其性能

王 迎， 杨 云， 魏春艳， 宋 欢， 季英超，， 孙玉雍， 张 欣

(1.大连工业大学 纺织与材料工程学院， 辽宁 大连 116034； 2.晟颐天祥天然纤维科技有限公司， 河北 秦皇岛 066004)

近年来，我国雾霾污染问题日益严重[1-3]。雾霾由雾和霾2种物质组成，而霾污染物的成分极其复杂，由空气中的灰尘、SiO2、SO42-、NO3-、有机碳氢化合物等大量极细微的干尘粒子组成，是空气中肉眼无法分辨的气溶胶和固态微粒。霾直径分布在0.001～10 μm之间，PM2.5[4-5]是霾的主要污染物，已经严重影响到人们的生活质量。雾霾天气中，人们从事室外活动大都佩戴口罩，以阻隔空气中霾颗粒进入呼吸道和肺。现代写字楼或条件好的办公场所采用中央空调进行空气过滤，而居民的普通住房除关闭门窗外，鲜有霾颗粒阻隔手段及设备。

居家生活中，在通风条件下每户都安装窗纱以防止蚊虫进入。当前技术条件下，市售的防雾霾窗纱设计原理是通过控制窗纱的直径，将其孔径降至 2.5 μm以下，或铺设一层较厚的微米级过滤网实现过滤污染物的效果，但造成窗纱的通风性能急剧下降，使其失去了通风透气的基本功能。随着空气污染的加剧，迫切需要对传统窗纱进行升级改造，降低窗纱的有效孔径和涂层厚度，提升霾阻隔功能。

静电纺纳米纤维膜具有比表面积大、孔隙率高、制备过程简单、厚度可控、过滤效率高的特点[6-7]。聚丙烯腈(PAN)聚合物[8-9]含有极性基团，对空气中极性有机颗粒具有吸附作用，可提升过滤效率；因此，本文采用静电纺丝技术，在传统的玻璃纤维窗纱上沉积聚丙烯腈纳米纤维膜。为得到PAN的最佳纺丝条件，首先在铝箔上沉积PAN纳米纤维膜，探究PAN纺丝液质量分数对纳米纤维微观形貌的影响。其次，在最佳成膜条件下，制备了玻璃纤维基材的防PM2.5窗纱，并对霾过滤前后纳米纤维膜的性能进行分析表征，以期对PAN静电纺丝技术在制备透气、空气阻力小、高效防PM2.5窗纱领域的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚丙烯腈粉末，东莞玉明塑胶原料有限公司，相对分子质量为80 000；家用玻璃纤维窗纱，津武玻璃纤维有限公司，筛孔尺寸为1.18 mm× 1.00 mm，面密度为115 g/m2，灰色；二甲基甲酰胺(DMF)，天津科密欧化学试剂有限公司；实验用香，石家庄李杜香业有限公司。

1.2 PAN溶液配制

分别配制PAN质量分数为6%、8%、10%、12%的PAN/DMF溶液，编号为P1、P2、P3、P4，将其放置于磁力搅拌器上搅拌6 h后，溶液呈透明的米黄色，无不溶颗粒存在，溶解较好。

1.3 PAN 溶液静电纺丝

利用FM-1206型静电纺丝设备(北京富友马科技有限公司)进行纺丝。将电源正极与针头连接，负极与金属接收板连接，在金属接收板上黏贴铝箔或窗纱纱网作为接收基材。纺丝工艺参数：室温条件，电压为20 kV，速度为0.5 mL/h，17号针头，喷丝针头与接收板之间的距离为18 cm，纺丝时间0.5 h。

1.4 霾环境模拟及过滤测试

采用实验室自制的雾霾环境模拟箱测试纳米纤维膜涂敷窗纱对PM2.5的过滤性能，其装置如图1所示。霾环境模拟箱由亚克力透明板黏接而成，采用热熔胶做好密封。仪器分左右2个部分，两侧箱体内分别放置数显霾测量传感器(江苏无锡微创联合有限公司)，右侧箱体外侧安装风机。

图1 雾霾过滤模拟箱Fig.1 Simulation box for haze filtering

点燃香模拟空气污染，香在燃烧过程中可产生0.3～10 μm的霾颗粒[10]。测试时将尺寸为 10 cm×10 cm的防PM2.5纱网固定在2个箱体中间，控制风机风速，间隔一定时间查看左右传感器的数值并记录。

1.5 窗纱透光率和透气率测试

采用721型分光光度计测试窗纱的透光率[11]，测试波长范围为400～800 nm，计算得到平均透过率。采用YG461E型数值式织物透气仪(宁波纺织仪器厂)，根据GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》测量窗纱的透气率。测试面积用 20 cm2,压降为100 Pa。

1.6 化学结构分析

采用Spectrum One-Type型傅里叶变换红外光谱仪(美国Agilent科技公司)测试过滤前后纳米纤维膜的化学结构。

1.7 形貌观察

采用JEOL JSM-6460LV型扫描电子显微镜(日本电子株式会社)测试过滤前后纳米纤维膜的表面形貌。

2 结果与分析

2.1 PAN质量分数对纺丝工艺的影响

为获得PAN最佳纺丝条件，在铝箔基材上分别沉积了P1、P2、P3、P4共4种纳米纤维膜，图2为其扫描电镜(SEM)照片。4种不同质量分数的PAN/DMF纺丝液均可正常纺丝，P1膜中纳米纤维粗细不匀，直径分布范围较宽，少数纤维呈弯曲状或中间粗两端细的纺锤状，有极个别纳米纤维出现重叠现象黏连在一起。P2、P3、P4膜中纳米纤维表面形貌好于P1；P2、P3纳米纤维伸直度好，无黏连或纺锤状纤维，而P4膜中出现了纺锤状纤维。采用Nano Measure 软件随机选择了P2、P3、P4的SEM照片中的50根纤维测量，结果表明：P2膜统计直径在 200～370 nm之间,直径分布较宽，平均直径为 308 nm；而P3、P4膜直径分布较窄，统计直径在100～250 nm之间，平均直径分别为225、205 nm。

图2 铝箔表面PAN纳米纤维SEM照片(×5 000)Fig.2 SEM images of electrospun PAN nanofibers on aluminum foil(×5 000)

综上，在铝箔基材上，P3膜纤维直径分布均匀，纤维形态好。纳米纤维的直径分布、平均直径对窗纱的过滤效率、透光率等有直接影响，因此，防PM2.5窗纱选择由P3溶液制备。

2.2 沉积PAN纳米纤维膜窗纱的表面形貌

采用P3溶液进行静电纺丝，接收基材为纱网，时间为0.5 h。图3为玻璃纤维窗纱PNA纳米维膜SEM照片。比较图3(b)、(c)可知，在相同的沉积条件下，PAN纳米纤维膜在窗纱纱棱处沉积较厚，在纱网空隙的地方沉积较薄。Nano Measure 软件随机测量结果表明：在窗纱空隙处纳米纤维直径分布在100～400 nm之间，平均直径为200 nm；在纱棱处纳米纤维直径分布在90～330 nm之间,平均直径为190 nm。由于纱网表面不平整，窗纱表面沉积的纳米纤维其伸直度稍差，有一定弯曲。

图3 窗纱表面PAN纳米纤维SEM照片Fig.3 SEM images of window screen surface.(a)Overall(×500);(b) Void(×10 000);(c)Junction of warp and weft (×1 000)

在平面静电纺丝接收装置中，经纬纱均为非导电的实心材料，其在电场中突起位置相对于空隙部分高。电场强度在经纬纱附近集中，导致纱棱处沉积的纳米膜厚，可为纳米纤维膜提供较好的连接力，增加了其使用性能。在窗纱空隙部分，通过控制纺丝条件可实现单层纳米薄膜沉积，且纤维之间的孔隙在0.1～2 μm之间，微米级的微孔大约占50%，这样的结构可有效减少空气流动阻力，满足窗纱透气、透明的要求。

2.3 窗纱对霾过滤效果

点燃测试仪器中的香模拟霾环境。过滤前后传感器显示的空气质量如表1所示。可看出：未过滤前PM2.5含量为404 μg/m3,空气质量指数为六级，属于严重污染；过滤2 h后，空气质量属于轻度污染，空气质量指数为三级，窗纱对PM2.5的截留率达到63%，说明防PM2.5窗纱具有一定的阻隔效果。

表1 窗纱霾过滤前后空气质量

2.4 霾过滤后纱网表面形貌

图4为霾过滤测试0.5、1、2、3 h后纱网表面SEM照片。过滤0.5 h霾后，纱网表面吸附了很多霾颗粒。由于纳米纤维具有表面张力，霾吸附物在纤维网表面呈液滴状，直径在10～50 μm之间。过滤1 h后，纱网表面的霾吸附物面积增大。随着时间的延长，霾吸附物面积继续增加。3 h时，整个纱网表面几乎全部覆盖了各种霾吸附物，纳米纤维膜表面已经看到明显的网孔堵塞现象，影响了窗纱的透光性、透气性。综上，PAN纳米纤维膜同时具有阻隔和吸附霾颗粒物的能力，二者共同作用导致纱网霾截留率随着颗粒直径的增加而增加。

图4 霾过滤后纱网表面SEM照片(×2 000)Fig.4 SEM images of window screen after haze filtering(×2 000)

2.5 霾过滤后纱网化学成分分析

图5 霾过滤前后防PM2.5窗纱FT-IR谱图Fig.5 FT-IR spetra of windows screen before and after haze filtering

2.6 窗纱透光透气性分析

图6示出不同窗纱外观照片。可看出，其透光性存在差异。PAN纳米沉积后，窗纱的透光率由91%下降到80%，下降了12%。雾霾测试2 h后，其透光率下降到70%，下降了23%。

图6 窗纱外观照片Fig.6 Appearance pictures of window screen. (a)Anti-PM2.5 window screen ; (b) Uncoated window screen

普通窗纱、防PM2.5窗纱、霾过滤2 h后防PM2.5窗纱的透气性结果表明：普通、防PM2.5窗纱的透气率分别为6 425、 9 865 mm/s，防PM2.5窗纱的透气率较普通窗纱下降了35%；霾过滤后，防PM2.5窗纱的透气率下降到4 352 mm/s。

综上所述，窗纱表面的纳米纤维膜及霾颗粒的沉积对窗纱的透气性、透光率有较大影响。长时间使用造成大量的霾颗粒吸附在窗纱表面，导致窗纱的透气性、透光性随吸附物面积的增加而下降，须经常更换窗纱。

空气中气体分子粒径在0.3～0.4 nm之间。防PM2.5窗纱的孔径主要分布在0.1～10 μm之间，是气体分子直径的300～3 000倍。空气分子在微孔中做布朗运动遵循高浓度向低浓度扩散的原则自由扩散，因此，霾过滤过程中，室内的二氧化碳和氨气、甲醛、苯等气体因室内浓度高不断扩散到室外，室外氧气也因浓度比室内高不断向室内扩散，此时，霾被阻隔在窗纱外面，大量的极性颗粒物吸附在PAN窗纱表面。尽管纳米涂层窗纱透气下降了35%，但窗纱在高效阻隔了霾颗粒的同时仍可以保持空气清新，能满足人体正常生活及工作需要。但防PM2.5窗纱的透气性、透光性、牢度等性能还有待提高，还需大量的研究工作对方案进行优化，在阻隔霾的条件下尽可能提升窗纱综合性能。

3 结 论

1)通过考察PAN纺丝液质量分数对纳米纤维微观形貌的影响发现，PAN纺丝液质量分数为10%，电压为20 kV，纺丝时间为0.5 h，所得纤维平均直径为225 nm，直径分布均匀。

2)在窗纱基材表面沉积PAN纳米纤维膜，纱棱处由于电场集中，纤维膜沉积得较厚，在窗纱空隙处沉积得较薄并实现单层沉积，其中微米级的微孔占50%左右，这种结构增加了纳米纤维膜与窗纱的连接力，增加了窗纱透气、透光性。

3)采用自制的霾测试箱模拟雾霾环境发现，PAN纳米纤维膜具有阻隔和吸附霾颗粒物能力，随着霾过滤时间的增加，阻隔效果提高。PAN聚合物含有极性氰基基团，针对性地增加了对空气中极性有机颗粒的吸附作用。过滤2 h后， PM2.5截留率为63%，空气质量变好。

4)PAN纳米涂层使窗纱的透光率下降了12%，透气率下降了35%。随着霾吸附时间的延长，窗纱的透光性、透气性能不同程度下降，因此，还需要后续大量的研究工作，在阻隔雾霾的条件下尽可能提升窗纱的透气性、透光性。

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