有效捕捉PM 2.5并释放负离子的PVDF纳米纤维

刘兆麟

河北科技大学 纺织服装学院(中国)

大气颗粒物污染，尤其是PM 2.5污染，已成为影响健康的主要因素之一[1]。因此，人们对高效低阻空气过滤材料的需求越来越强烈。近年来，具有医疗保健功能的空气过滤材料已成为一种新的发展趋势。负离子能有效治疗哮喘、支气管炎、高血压等疾病，如果空气中负离子浓度超过2 000个/cm3，将有助于增强人体的免疫系统[2]。人工生成负离子是保护健康的一种有益途径。静电纺丝技术是制备纳米纤维的一种灵活、有效的方法，可从种类广泛的聚合物中制备出具有可控结构和集成功能的纳米纤维。纳米纤维具有比表面积大、孔隙率高及孔结构连通等特点，是空气过滤领域的理想材料[3-4]。然而，关于能够释放负离子且捕获PM 2.5的纳米空气过滤材料的研究非常有限。

本研究在聚偏氟乙烯(PVDF)溶液中加入负离子粉，采用静电纺丝工艺制备具有负离子释放能力的纳米纤维基空气过滤材料。分析了负离子粉质量分数对纳米纤维形态结构、过滤性能和负离子释放性能的影响。

1 试 验

1.1 材 料

试验原料：PVDF(Mw=660 000)、N，N-二甲基甲酰胺和平均粒径为80 nm的负离子粉。

1.2 PVDF纳米纤维的制备

在N，N-二甲基甲酰胺中加入PVDF，控制PVDF的质量分数为16%，然后加入负离子粉搅拌溶解8 h，配制负离子粉质量分数分别为0%，3%，6%和9%的纺丝液。在DT-1003型纺丝机上进行静电纺丝，设置纺丝电压为20 kV，纺丝速度为1 mL/h，接收距离为15 cm。

1.3 测试与表征

分别用NDJ-79型黏度计和DDS-310型电导率仪测试纺丝溶液的黏度和电导率。用TM3000型扫描电子显微镜(SEM)观察PVDF纳米纤维的形貌，使用Photoshop软件在SEM图上随机选取50根纤维，测量并计算其平均直径。用IMH01型负离子检测仪测定负离子释放量。采用TSI8530型自动过滤试验机，在5 cm/s的气流速度下，测试纳米纤维膜的过滤效率和过滤阻力。为了进一步评价过滤介质的综合过滤性能，引入品质因子(Q)，品质因子越大，材料的综合过滤性能越好[5]。

式中，η和Δp分别表示过滤效率和过滤阻力。

2 结果与讨论

2.1 PVDF纳米纤维的形态结构

不同负离子粉质量分数条件下制得的PVDF纳米纤维的SEM图如图1所示。表1给出了溶液性质和纳米纤维的平均直径。结果表明，随着负离子粉质量分数从0%增大到3%，纤维平均直径减小。这是因为负离子粉的加入大大提高了溶液的电导率，使得射流的表面电荷密度增大，从而增强了外加电压的牵伸力。当负离子粉的质量分数为6%时，溶液黏度增加，导致PVDF纳米纤维的直径有所增大。随着负离子粉质量分数进一步增加到9%，纤维平均直径继续增大，且负离子粉颗粒在纤维表面聚集[图1d)]，这可归因于过高的负离子粉含量和较强的射流不稳定性。

a) 0%

b) 3%

c) 6%

d) 9%

表1 溶液性质和PVDF纳米纤维的平均直径

2.2 PVDF纳米纤维的空气过滤性能

PVDF纳米纤维的过滤效率和过滤阻力如图2所示。

a) 过滤效率和过滤阻力

b) 品质因子

由图2a)可知，随着负离子粉质量分数的增加，过滤效率和过滤阻力均呈先上升后下降的趋势。当负离子粉质量分数为3%时，纤维直径最细，纳米纤维膜的过滤效率迅速提高，而过滤阻力的增长相对略慢。此时，品质因子达到峰值0.040 7 Pa-1[图2b)]。这证实了纤维直径对构筑纳米纤维过滤材料起关键作用。当负离子粉质量分数增加到9%时，过滤效率因纤维直径增大而降低，由于负离子粉对纤维间孔隙的堵塞作用，过滤阻力则保持在较高水平，导致品质因子降至最低值。

2.3 PVDF纳米纤维的负离子释放性能

图3为PVDF纳米纤维在不同负离子粉质量分数下的负离子释放量。由图3可知，随着负离子粉质量分数从0%增加到9%，负离子释放量不断增大。这主要是由于PVDF纳米纤维周围电场逐渐增强所致。数据表明，加入负离子粉可有效提高PVDF纳米纤维的负离子释放能力。值得注意的是，当负离子粉质量分数为3%时，负离子释放量已达2 026个/cm3，有利于人体健康。

图3 不同负离子粉质量分数下PVDF纳米纤维的负离子释放量

3 结论

采用静电纺丝方法制备了不同质量分数负离子粉掺杂的PVDF纳米纤维。研究了负离子粉含量对PVDF纳米纤维形态、空气过滤性能和负离子释放性能的影响。结果表明，负离子粉质量分数为3%时，纳米纤维的直径最细，随着负离子粉质量分数从6%增加到9%，纳米纤维的直径变大。随着负离子粉质量分数的增加，纳米纤维膜的过滤效率、过滤阻力和品质因子均先升高后降低，负离子释放量呈上升趋势。当负离子粉质量分数为3%时，PVDF纳米纤维对PM 2.5的过滤效率可达98.6%，过滤阻力仅为105 Pa，负离子释放量为2 026 个/cm3。