静电纺丝技术制备隔离PM2.5的防雾霾纱窗及其性能分析

赵明良 张盼盼

青岛大学 纺织服装学院(中国)

随着社会进步与科技的发展，人类的生产活动对环境的影响越来越大，尤其是交通、工业及电厂释放的污染物。空气污染物主要由土壤粉尘、车辆排放尾气、燃煤燃烧物、二次气溶胶和生物质燃烧物等多种成分组成[1]。空气污染已成为国民经济发展中急需解决的重要问题。在这些空气污染物中，对环境及人体健康影响最大的是颗粒物污染(PM)。相较于发达国家，发展中国家的工厂尤其多，这使得大部分发展中国家成为受颗粒物污染的主要区域。随着雾霾现象的日益加重，其对人体健康的影响越来越大，人们的环保意识也愈来愈强烈[2]。室内空气在人们的生活中尤为重要，颗粒物污染，尤其是可吸入颗粒物(包括有害纤维、灰尘、皮屑及飞沫等)不仅会对室外空气产生影响，而且可通过门窗进入室内，进而对人体健康造成影响。空气是人们生活的基本必需品，一个成年人平均每分钟约呼吸16次，在这个过程中每天会交换10 000 L空气[3]。可吸入颗粒物的表面及内部可能附着有大量致病性细菌、病毒及有机污染物，被吸入体后，会产生巨大的危害。

根据美国环境保护局的一份报告，PM 2.5水平的提高，导致全世界每年约有210万人死亡。净化空气(包括从空气中清除颗粒物)可有效对抗有害物质——高浓度PM 2.5的影响。高性能空气净化材料能高效捕集PM 2.5。在此背景下，室内空气过滤器应运而生，过滤材料作为关系过滤器性能的核心部件，近年来也逐渐成为人们关注的焦点。然而，目前使用的空气净化过滤材料，如玻璃纤维、纺黏纤维和针刺纤维，由于空气分子与纤维直接接触且纤维孔径大，导致其过滤效率低而空气阻力高。静电纺纤维具有孔径小、孔隙率高及表面性能高等特性，已广泛应用于诸多领域[4-6]，如，用于室内空气过滤器中，实现高过滤效率、大吸附容量和低压阻的过滤效果。但目前的室内空气过滤器噪声大、耗电量多，不够经济环保。为此，本文采用热塑性聚氨酯(TPU)为溶质，以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，配制纺丝溶液，对其进行静电纺丝，并将纤维丝收集在玻璃纤维纱网上，制备防雾霾纱网。然后，对所得防雾霾纱网进行透光性、疏水性、透气性及接触角测试与分析，探讨较合理的纤维网收集时间，以制备性能良好的防雾霾纱窗，净化室内空气。

1 试验

1.1 试剂与仪器

试剂：TPU和N，N-二甲基甲酰胺。

仪器：数显控温磁力搅拌器(常州市金坛友联仪器研究所)，电子天平(上海精天电子仪器有限公司)，便携式静电纺丝仪(青岛聚纳达科技有限公司)，电脑型金相显微镜(上海万衡精密仪器有限公司)，接触角测定仪(承德金和仪器制造有限公司)，透气性测定仪(理宝商贸有限公司)，注射器(山东瑞通高分子医疗器械有限公司)。

1.2 聚合物溶液的配制与静电纺丝

采用电子天平称取3 g TPU装入容器中，然后，用滴管滴入7 g N， N-二甲基甲酰胺，配制质量分数为30%的纺丝溶液。将配制好的溶液放在磁力搅拌器上进行搅拌，待TPU完全溶解后，用容量为5 mL的注射器吸取适量的纺丝液，安装上针头，待用。

静电纺丝试验装置如图1所示。将静电纺丝枪口与玻璃纤维纱网间的距离调整为30 cm，纱网位于接收极板(铁板或锡箔纸)正前方，与接收极板的间距为10 cm。其中，玻璃纤维纱网需裁剪成合适的大小，并黏合在铁架台上。此外，在静电纺丝枪的后方放置一铁架台，并将吹风机竖直固定在铁架台上，使吹风机的出风口与静电纺丝枪的高度平齐，方向一致，以产生气流作用。否则，纺出的丝容易四处乱飞，且落在玻璃纤维纱网上的纤维丝均匀性差。将装有纺丝液的注射器放入静电纺丝枪中，并将纺丝电压调整为15 V，纺丝速度调整为30 μm/s，进行静电纺丝。

图1 静电纺丝试验装置

2 纱网性能测试与分析

2.1 外观形貌

在进行纺丝过程中，用试管夹夹住载玻片，将其放在纱网前方，以获取适量的纤维丝。将收集有纤维丝的载玻片放置在光学显微镜下，观察纤维的外观形貌，包括杂乱度、直径及纤维表面光滑度等。

从纺丝时长(接收时间)为10 min的纱网上裁下一长方形的小块试样，放在光学显微镜下，盖上载玻片，观察纤维和纱网的形态，并与用载玻片收集得的纤维网进行对比。两种情况下纤维网的外观形貌如图2所示。由图2可看出，在不采用玻璃纤维纱网收集的情况下，所得纤维网中纤维形态杂乱，直径不均匀，纤维之间易产生黏连，且纤维伸直度局部不均匀，如图2a)所示。采用玻璃纤维纱网收集纤维，纺出的丝能很好地附着在纱网上，伸直度较高，如图2b)所示。此外，在较大的放大倍数下可以观察到，纤维之间的孔隙率较大，这意味着用其制作防雾霾纱窗，产品将在透光性和透气性方面有较好的体现。纤维丝层层重合，相互之间黏连紧密，可在有效防止纱网破损的同时，实现较好的颗粒物阻隔效果。

图2 静电纺丝所得纱网的外观形貌

2.2 透光性

将经静电纺丝处理10 min(采用玻璃纤维纱网收集静电纺纤维丝)的纱网垂直放置在阳光下，并透过纱网观察其背面景物的清晰程度，然后与未经静电纺丝处理的纱网(原玻璃纤维纱网)进行对比。研究结果表明，静电纺丝处理10 min所得纱网的透光率约为60.2%。静电纺丝处理前后玻璃纤维网的透光性存在一定的差异，经静电纺丝处理后，纱网背面的景象清晰度减弱，但不影响基本的观察，对光照的阻隔也较小(图3)，基本属于在合理的范围内。

图3 静电纺丝处理前后玻璃纤维纱网的透光性对比

2.3 疏水性

选择经静电纺丝处理10 min的纱网试样为测试对象，测试其疏水性。从纱网上裁剪出一块与载玻片长度相等的试样，将其黏贴在载玻片上。在试样表面位置平整处，用滴管滴1滴去离子水，待液滴形态稳定后，测量其接触角。然后等距滴剩下的4滴水，观察并记录数据。试验结果表明，经静电纺丝处理10 min的纱网试样的接触角大于110°，即试样表现出疏水性。与玻璃纤维纱网的接触角(69°)相比，静电纺丝处理后纱网试样的疏水性增加。而疏水性好的纱网可在雨天很好地防止漏雨，具有非常强的实用性[7]。

图4 静电纺丝处理后纱网试样的接触角测试结果

2.4 透气性

将静电纺收集时间分别设置为8、10、12和15 min，获得4种不同收集时间的纱网试样。分别从4种纱网上裁剪出一块圆形试样，采用透气性检测仪测试其透气率。测试面积为20 cm2，压力为200 Pa。测试步骤与注意事项如下：

——将试样平整夹持在测试平台上，测试点选取平整且织造完好的部位，避开边缘位置处，以免出现数据误差，同时夹持试样的张力应适中，过大易造成褶皱及拉扯，过小则易出现试样夹持不紧，造成测试结果不准；

——启动吸风机使空气通过试样，待气流流量达稳定值后，记录透气量；

——同样在200 Pa压力条件下，在同一试样靠近中心的不同部位重复测定至少5次；

——若试样夹持处出现漏气的情况，则应测定漏气量，并从所记录的透气量中减去该数值，然后计算多次测得的透气量的算术平均值。

不同静电纺收集时间下试样的透气量测试结果如表1所示。由表1可知，随着静电纺收集时间的增加，试样的透气量逐渐减小，透气性降低，尤其是时间由10 min延长至12 min时，试样的透气量明显降低。当静电纺收集时间为8 min时，试样的透气量较大，但此时所得纱网试样易破损，不易保存，而静电纺收集时间为12 min和15 min时，试样的透气量过小，故认为收集时间为10 min时较适宜，此时试样的透气量适中且不易破损。

表1 不同静电纺收集时间下试样的透气量测试结果

2.5 过滤性能

采用烟管测试纺丝时长为10 min的纱网试样的过滤性能。在管道的一端点烟，烟雾将通过中间的纱网进入管道另一端，将压差计的两根细管分别插入烟管两端。首先，用肉眼观察管道两端烟雾的浓度差异；然后，观察压差计的数值；最后，将纱网取下，观察纱网上留下的颗粒物痕迹。试验结果表明，压差计两端的压力差异不大，表明纱网可正常透气；纱网上留下较多的颗粒物痕迹，表明纱网试样的过滤性能较好，能有效阻隔PM 2.5及直径更大的颗粒物，满足防雾霾要求。

图5 纱网试样的过滤性能测试

3 防雾霾纱窗制备及其防雾霾效果

由前文的研究可知，经静电纺丝防雾霾处理后，玻璃纤维纱网的防雾霾效果优良，同时其透气性和透光性等性能均良好，具备制成防雾霾纱窗的条件，可进行生产使用。

裁剪出两块1.1 m×1.1 m的玻璃纤维纱网，配制好纺丝溶液并设置纺丝参数，进行静电纺丝，纺丝10 min后，取下纱网，修剪并去除纱网边缘纤维覆盖率不完善的部位，然后将其安装在窗框上。将所得防雾霾纱窗安装在施工工地旁的一空房间的窗户上，并用同方向、同楼层的另一间布局相同的房间作为对照，对照房间的窗户上安装有未经静电纺丝处理的玻璃纤维纱网。观察检测一定时间后两房间的颗粒物浓度，并进行对比。研究发现，对照房间内空气中和桌面上的沙尘颗粒要明显多于安装了防雾霾纱窗的房间，这证实了经静电纺丝防雾霾处理后，纱网的防颗粒物效果更好。

图6 防雾霾纱窗

4 结论

本文以热塑性聚氨酯(TPU)为溶质，以N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，配制质量分数为30%的纺丝溶液并进行静电纺丝，将纤维丝收集在玻璃纤维纱网上，进而制备可隔离PM 2.5的防雾霾纱窗。研究结果表明，经静电纺丝防雾霾处理后，所得纱窗具有良好的防雾霾效果。相较于空气过滤器及防雾霾口罩，防雾霾纱窗更符合现代人对健康、环保的要求及消费能力的需求。尽管目前防雾霾纱窗的购买人群稀少，应用范围有限，但随着人们对这种新兴环保健康产品接受度的逐渐提高，相信在不久的将来，防雾霾纱窗将得以广泛应用。