聚苯乙烯超细纤维空气过滤膜的结构与性能研究

陈婷婷 肖云莹 汪贝贝 沈轶菲 孟娜 郑元生

摘 要：利用静电纺丝方法制备聚苯乙烯（PS）超细纤维，研究了纺丝液质量分数、纺丝电压和接收距离3个参数对纤维形貌及直径的影响，及在不同工艺条件下制备的纤维膜过滤性能的影响。结果表明：工艺参数对静电纺PS纤维表面形态和纤维直径均有较大地影响，纺丝液质量分数对纤维的形态影响最为明显，并且进一步影响纤维膜的过滤性能;纤维的细度和表面形态共同影响纤维膜的过滤性能，纤维越细，其过滤性能越好，且PS纤维表面的多孔、不规则小棱脊及褶皱形态能够提升纤维膜的过滤性能。

关键词：静电纺丝;纤维膜;纤维直径;纤维表面形态;空气过滤

中图分类号：TQ342.86

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2020）05-0001-07

Research on Structures and Properties of Electrospun Ultrafine

PS Fiber Membrane for Air Filtration

CHEN Tingting1， XIAO Yunying1， WANG Beibei1，SHEN Yifei1， MENG Na2， ZHENG Yuansheng1

（1.School of Textiles and Fashion， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China;

2.Shanghai Textile and Architectural Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200060， China）

Abstract：In this paper， polystyrene （PS） ultrafine fibers were prepared by electrospinning method. The effects of spinning solution concentration， spinning voltage and working distance on the morphology and diameter of PS ultrafine fibers as well as the filtration performance of PS ultrafine fibers prepared under different processing conditions were studied. The results show that the process parameters have great influence on the surface morphology and fiber diameter of electrospun PS fibers.The concentration of spinning solution has the most obvious effect on the fiber morphology， and further affects the filtration performance of the fiber membrane. The diameter and surface morphology of the fibers affect the filtration performance of the fiber membrane together. The finer the fibers， the better the filtration performance. And the porosity， irregular ridge and wrinkled morphology of PS fiber surface can improve the filtration performance of PS fiber membrane.

Key words：electrospinning; fiber membrane; fiber diameter; fiber surface morphology; air filtration

近年来，空气污染逐渐成为一个全球性的环境问题。人体在受污染的环境中会因吸入悬浮颗粒物等原因而受损，因此，各行业对空气治理技术的要求也越来越高。从源头上减少有害气体的不规范排放，用过滤的方法对空气中悬浮的颗粒物进行拦截吸附，是治理空气污染的有效途径。

由纤维杂乱排列经各种方法加固而成的非织造材料是目前应用最为广泛的过滤材料。所要过滤颗粒物的数量以及颗粒物之间的摩擦性能是过滤用非织造材料的主要选用依据，通常选用孔隙率高、孔径小的过滤材料以获得较好的过滤效果。通过静电纺丝方法制备的微纳米纤维无纺布，与纺黏法无纺布及熔喷无纺布相比，具有更细的纤维直径和更小的孔隙率，因此，采用静电纺丝法制备的微纳米级超细纤维无纺布能进一步提高对微小颗粒的过滤效果[1-3]。Wang等[4]采用静电纺丝的方法制备聚四氟乙烯/聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维膜的过滤效率为99.972%;毕银萍等[5]采用静电纺丝的方法制备了聚间苯二甲酰间苯二胺/氧化石墨烯复合纳米纤维膜，氧化石墨烯的加入改变了纳米纤维直径的分布，并且提高了复合纳米纤维膜的空气过滤性能和热稳定性。Lovera等[6]在40 kV紡丝电压下制出平均直径为3～4 μm的聚苯乙烯纤维膜，且研究表明，聚苯乙烯纤维膜在储存l h后，其表面仍可保持40 kV的平均电势，这一研究有利于制备空气过滤材料。尽管众多研究人员对静电纺纤维及纤维膜性能进行了研究，但是还缺乏相关工艺参数对成纤过程、纤维结构及其性能影响的系统研究。

聚苯乙烯（Polystyrene，PS）是由苯乙烯单体经自由基缩聚反应合成，具有良好的可成型性，广泛地应用于汽车、电子产品连接系统、食品包装等工业领域。随着静电纺丝技术的兴起，PS作为一种具有良好可纺性和成纤性的聚合物，可以用来制备各种多级结构（串珠结构、多孔结构、沟槽结构等）的微纳米纤维而不断受到研究者的广泛关注。本实验通过静电纺丝方法制备具有多种表面结构的PS纤维，通过调节纺丝液质量分数、纺丝电压和接收距离3个参数，研究3个参数对PS纤维表面的微观形貌、直径及过滤性能的影响，并探讨PS纤维膜对不同粒径气凝胶过滤性能的影响，为气体过滤超细纤维产品的设计与研发提供依据。

1 实 验

1.1 纺丝溶液制备

称取一定量的聚苯乙烯（PS，（C8H8）n，相对分子质量Mn=170 000，西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司）置于锥形瓶中，将适量的N，N-二甲基甲酰胺（DMF，C3H7NO），分子量Mn=73.09，国药集团化学试剂有限公司）加入含有PS的锥形瓶中混合，在室温下搅拌5 h后静置3 h，得到均一、透明的PS溶液备用。

1.2 PS纤维膜的制备

实验所用的静电纺丝装置如图1所示，该装置包括供液系统、高压静电系统、纤维接收系统和温湿度控制系统。供液系统由一个微量注射泵和带有金属针头的注射器组成，针头由一个电机（图1中未显示）带动可做横向移动，保证制备的纤维膜厚度的均匀性;高压静电系统分别与针头和接收辊相连，针头与高压电源正极相连，接收辊接地;纤维接收系统由一个电机带动的圆柱体接收辊构成，转速可调;温湿度控制系统包括一个加热装置、温湿度计和一个湿度控制器构成，加热装置和湿度控制器分别调控纺丝箱体内的温度和湿度。

将配制的均匀纺丝溶液注入注射器并放置于微量注射泵中，调整喷丝头到接收装置之间的距离及纺丝电压，在接收滚筒的转速为60 cm/min，纺丝溶液推进速度为20 mm/s，温度30 ℃，相对湿度40%的条件下进行静电纺丝1 h，制得纤维膜。本实验通过调节纺丝液质量分数、纺丝电压和接收距离，研究不同的工艺参数对PS纤维膜微观形貌及其过滤性能的影响，具体工艺参数如表1所示。

1.3 测试与性能表征

采用日本日立公司的SU8010型扫描电子显微镜对制备的PS纤维表面形貌进行分析，测试前所有样品都经表面喷金处理。采用Image-J软件对纤维的直径进行测量与分析。

纤维膜的过滤效率及压降由苏州苏信仪器设备有限公司所生产的SX-L1053型滤料试验台进行表征，测试面积为100 cm2。其工作原理如图2所示，测试时先将滤纸固定在夹具上，试验风量对应所需滤速。气溶胶发生器产生的气溶胶经调整，而后静电中和，再与过滤后的试验空气均匀混合，最后进入试验区透过滤料。使用粒子计数仪器，测定采样气流中各粒径粒子的计数质量分数，通过上下游之比，得到所测效率。该滤料试验台符合JJF 1190—2008《尘埃粒子计数器校准规范》，能够满足JG/T 22—1999《一般通风用过滤器性能试验方法》，美国ANSI/ASHRAE52.1—1992 “一般通风用空气净化装置试验方法”，欧洲EN779：2002“一般通风用空气过滤器-过滤性能的测定”，日本JISB9908：2001“通风用空气过滤器装置和电动空气清洁器的试验方法”，欧洲EN1822“高效过滤器”以及ISO-29463“清除空气中微粒用高效过滤器和过滤介质”。在过滤性能测试实验中，静电纺PS纤维过滤膜与无纺布基材每3 min便一起进行一次过滤性能测试，且测试条件中，空气流量可在32 L/min±2.5%范围内连续调节，如此循环。

2 结果与讨论

2.1 纤维形貌及直径

不同的工艺参数下所制备的PS纤维的外观形貌如图3所示。由图3（a）～（a4）中可以看出纺丝溶液的质量分数对PS纤维的外观形貌影响最为明显，当质量分数为10%与15%时，出现串珠现象。因为纺丝液质量分数低时，黏度也较小，在静电场的拉伸作用下容易产生不稳定的射流，使得纺丝液以圆锥形落在接收板上，直接形成串珠;而PS分子链间缠结严重，纺丝过程中溶剂挥发比较缓慢，使得热致相分离程度不足，因此纤维表面无孔。当质量分数达到20%～25%时，纺丝过程稳定，直径均匀;纤维孔径上出现了明显的多孔。纤维被拉伸变细，溶剂挥发速度较快，热致相分离现象剧烈，因而生成大量多孔，在电场力的作用下，孔沿著纤维轴向被拉伸变形呈椭圆形。当质量分数达30%时，纤维直径较粗，已达到微米级，随着纺丝液质量分数增加，纺丝液中含固量增大，纤维的直径也明显增大。

较于纺丝液质量分数而言，纺丝电压和接收距离两个参数对纤维整体外观形貌均的影响相对较小，在相同的纺丝溶液质量分数下，纤维均呈圆柱形且表面粗糙。但是通过高倍数的扫描电镜图片（图3（b）～（b3）），可以看出纤维表面的微观形态随着电压和接收距离的变化有所改变。当电压较小的时候，纤维表面成纤多孔的形态，当电压增加至35 kV时，纤维表面呈现褶皱的粗糙形态。主要原因是电压较小的时候，纺丝射流受到的牵伸力较小，射流的运动速度较慢，纺丝液中的溶剂可以充分挥发，在纤维表面形成多孔的形态。当射流增加至35 kV时，射流会在纺丝喷嘴处劈裂成5～7个微小的射流[7]，在纺丝电压为35 kV时纺丝射流会一直保持这种多个微小射流状态。射流分裂为多个微小射流后，射流的比表面积更大，溶剂的挥发更为充分，因此射流固化后形成的纤维表面呈现褶皱形貌。

当纺丝距离改变时，射流表面的微观形态也发生了相应的变化，如图3（c）～（c4）所示。当纺丝距离为10 cm时，纤维表面呈现比较光滑的状态;纺丝距离增加至15 cm时，射流表面出现了不规则小棱脊;继续增加纺丝距离，纤维表面出现多孔形态，并且孔的形态随着纺丝距离的增加越来越狭长。主要因为纺丝距离增加后，能为射流的鞭动运动提供更多的空间，射流中的溶剂可以挥发得更为充分。

不同工艺参数下制备所得的PS纤维直径测试结果如图4所示。由于质量分数较低时，纤维为串珠形态，无法测得纤维直径，因此4（a）中显示了质量分数从20%～30%时纤维直径的结果。从图4（a）中可以看出，随着溶液质量分数的增加，所获得的PS的纤维直径也随之增加。这是因为质量分数增加，溶液的含固量增加，在相同的纺丝条件下，纤维直径会相应增加。纺丝电压对纤维直径的影响也较为明显，其结果如图4（b）所示，随着电压的增加，纤维的直径越小。主要原因是电压增加后，射流所收到的电场牵伸力更大，射流的边动速度更快，因此纤维的直径相应减小。从图4（c）中可以看出纺丝距离的改变对纤维的直径也有影响，纺丝距离越大，射流的直径越小。当接收距离较小时，纺丝液的飞行时间及拉伸程度均不足，因此得到的纤维较粗;当接收距离增大时，射流有鞭动区域更大，射流的运动路径变长，纤维得到更充分的拉伸，所以纤维越细。

2.2 过滤性能

静电纺超细纤维由于其超高比表面积和纤维膜的高孔隙率等特性，在过滤方面有很好的应用前景。纤维膜的孔径越小，气流中的细小颗粒物不容易通过，过滤效率也就越高[8-9]。在实验中通过调节工艺参数可以获得不同表面形态的PS纤维，其特殊表面形态如多孔、不规则小棱脊、褶皱等可进一步提高PS纤维的过滤性能。PS纤维过滤前后的扫描电镜图片如图5所示，过滤前PS纤维膜表面呈光滑，排列整齐的多孔结构，而在过滤后PS纤维表面出现不规则小棱脊结构，原先的多孔结构由于纤维膜对气凝胶的吸收使多孔结构填塞呈现表面粗糙的不规则小棱脊结构。这主要是因为纤维膜表面的多孔结构提供了纳米颗粒进入纤维膜的可能性，引起纤维孔内捕获气凝胶颗粒，颗粒可以渗透到纤维膜中，由于纤维膜表面孔堵塞，在纤维膜内部和表面发生颗粒积聚来实现气凝胶及其他空气污染物的过滤。

实验测试了不同溶液质量分数的PS纤维膜在风速为32 L/min的条件下的过滤性能，纤维膜的压降和效率测试结果如图6所示。从图6可以看出，当溶液质量分数从10%增大到30%时，PS纤维膜的过滤效率从78.760 7%增大到97.680 6%，PS纤维膜的压降分别为34.00、34.50、39.00、36.00、36.50 Pa。随着溶液质量分数增加，纤维膜过滤效率不断提高，主要是因为纤维膜的单位面积的克重增加，纤维细度相应增加，且纤维上纳米孔数量及孔体积也增大，这不仅增大了纤维膜的比表面积，同时也增加了纤维表面的粗糙度，有利于提高纤维对微细颗粒物的捕集，从而提高过滤效率。具有大量珠粒的纤维膜（低溶液质量分数，10%）时纤维膜具有最低的压降，其次是PS超细纤维膜（低溶液质量分数，15%）。这主要是由于珠子的存在使纤维之间的距离增加以

及空气通过膜的空间增加导致了纤维膜的低压降。如果珠粒形状变得更椭圆（15%纤维膜）或完全消失（20%～30%纤维膜），则纤维间的间隙变得更紧密并且孔隙分布变得更小使得纤维膜压降显著增加[10-11]。

为进一步研究纺丝电压和纺丝距离对多孔纤维膜空气过滤性能的影响，并且考虑到静电纺丝状态的稳定性及纤维的成膜性，选择质量分数20%的PS溶液为纺丝液，实验工艺选择流量1.5 mL/h，温度（25±0.5）℃，相对湿度45%±2%，通过控制静电纺丝的工作电压（15、20、25、30、35 kV）和接收距离（10、15、20、25、30 cm）制备了一系列PS纤维膜，然后对制备的PS纤维膜进行空气过滤性能测试。

不同电压及接收距离纤维膜在32 L/min的气流速度下测得的过滤效率和空气阻力如图7所示。从图7（a）中可看出，在同一接收距离时，随着电压的逐渐上升，过滤效率有一定的下降，从96.102 9%降低到了92.972 5%，而当电压为35 kV时，纤维膜的过滤效率有明显的增加。这是因为，纤维膜的粗糙度越高，预迎风面积也就越高，从而能够增加膜的颗粒收集效率[12]。另外一方面，纤维表面所形成的“褶皱”突起能够对颗粒起到阻挡作用[13]（图3）。从图7（b）可见，不同接收距离的纤维膜对应的过滤效率分别为98.180 6%、96.928 6%、85.186 2%、78.760 7%和78.278 3%。根据实验数据可以清晰的得出纤维膜的过滤效率和空气阻力随着接收距离的增加而降低。上述结果表明，相同纺丝时间及纺丝电压条件下，接收距离越小制备的纤维多孔膜厚度较大，颗粒捕获能力增强。

3 結 论

采用静电纺丝法制备不同微观结构的PS纤维膜，通过调控纺丝液的质量分数、纺丝电压和接收距离可以有效调控纤维的微观形态，并且影响纤维膜对气凝胶过滤性能，通过本实验的研究得到如下结论：

a）PS纤维的直径在质量分数较低时易出现串珠现象，15%之后，纤维直径随着纺丝液质量分数的增加而增加;

b）PS纤维的直径随着纺丝电压及接收距离的增大均减小，纤维直径受纺丝电压的影响较显著;

c）PS纤维膜的过滤性能受纺丝条件影响明显，纤维的表面形态和纤维的直径共同影响纤维膜对气凝胶的过滤性能，其中纺丝液质量分数或者纺丝电压过大均会影响纤维拉伸，使得纤维膜的过滤性能下降。

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