对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的制备及性能研究

燕 芮 刘嘉炜 张旭东 黄 晨

1.东华大学纺织学院，上海 201620；2.江苏东方滤袋股份有限公司，江苏 阜宁 224400

对位芳纶，即聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纤维，泛指分子链上85%以上的酰胺基团与两个苯环基团直接连接的线性高分子聚合物[1]。对位芳纶内部分子平行堆砌，链段排列整齐，沿轴向呈伸直棒状，取向度高，分子间氢键结合力强，是一种高结晶度、高取向度的高性能纤维材料。对位芳纶本体分子结构特征决定了它具有高强度、高模量、耐高温、抗腐蚀的优异性能[2]，在增强材料、个体防护和高温过滤等领域都有广泛的应用。但对位芳纶的界面结合强度低，难以与其他材料相结合，从而限制了其在复合材料中的应用[3,4]。针对这一问题，学者们展开了对位芳纶原纤化的系列研究，旨在通过减小纤维的长径比提高其比表面积，从而满足不同的应用需求。如，Yang等[5]利用KOH/二甲基亚砜(DMSO)超强碱体系的去质子化作用，开发了高长径比的对位芳纶纳米纤维(ANFs)，并通过层层自组装法制备出高透明度的对位芳纶纳米纤维膜，保留了对位芳纶纤维优异的力学性能和耐热性能。高性能的ANFs亦引起了学术界的广泛关注，相关研究从最初的复合增强膜扩展到了ANFs/PEO电池隔纸[6]、ANFs/PET液体过滤材料[7]、ANFs/PEF和ANFs/PES血液渗析纳米纸[8]、ANFs/RGO超级电容器复合电极[9]等。然而，目前ANFs在非织造材料中的应用研究较少，且均使用多次浸渍法来获得ANFs非织造复合材料[10]。多次浸渍法需反复操作、生产效率低，试样尺寸有限，难以满足产业化应用。

本文首先利用碱液法制备ANFs，利用静电发生器对聚丙烯(PP)熔喷非织造材料进行驻极处理，采用自动涂覆膜机技术对PP熔喷非织造材料进行单次涂膜，以制备对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料, 探究ANFs膜对驻极体PP熔喷非织造材料的过滤性能及力学性能的影响。

1 试验

1.1 原料和仪器

原料：面密度为28 g/m2的PP熔喷非织造材料(宣城广能非织造有限公司提供)﹑Kevlar纤维(对位芳纶纤维，杜邦公司)﹑DMSO(上海凌峰化学试剂有限公司)﹑氢氧化钾(KOH，上海凌峰化学试剂有限公司)﹑无水乙醇(上海凌峰化学试剂有限公司)﹑去离子水。

试验用主要仪器如表1所示。

表1 试验用仪器

1.2 制备方法

1.2.1 ANFs溶液的制备

1)用无水乙醇对Kevlar纤维进行超声清洗，去除纤维表面的油剂，使纤维溶胀，有利于后续溶解。

2)Kevlar纤维经去离子水反复清洗后，置于80 ℃的鼓风干燥箱中烘干。

3)在100 mL DMSO中加1.5 g KOH，磁力搅拌器搅拌30 min，充分混合后形成超强碱体系——KOH/DMSO溶液。

4)取干燥的Kevlar纤维1.0 g加入KOH/DMSO溶液中，常温搅拌7 d，得到均匀稳定的暗红色溶液，即为ANFs溶液。ANFs溶液在制备过程中因脱质子而生成带负电的聚合物分子链，溶液也呈负电性。

1.2.2 驻极体PP熔喷非织造材料的制备

使用静电发生器对PP熔喷非织造材料进行正电驻极处理，充电电压为15 kV，驻极距离为4 mm，来回横动5次，以制备效果较好的驻极体PP熔喷非织造材料。

1.2.3 复合过滤材料的制备

用胶头滴管取1.5 mL ANFs溶液滴加在驻极体PP熔喷非织造材料的一侧。利用自动涂覆膜机上的刮刀将ANFs溶液以单层膜的形式完全铺展开。因ANFs溶液易凝胶化，单层ANFs溶液遇到空气中的水汽后迅速被还原，形成一层对位芳纶纳米纤维膜覆盖于PP熔喷非织造材料的表面。驻极处理后带正电的PP熔喷非织造材料与呈负电性的ANFs溶液靠静电吸附作用而黏合，增加了覆膜牢度。涂膜速度设为80 mm/s，刮刀隔距为50.0 μm，覆膜后用去离子水反复清洗以去除多余的DMSO与KOH。再于60 ℃烘箱中干燥得到对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料试样。

1.3 试验方法

1.3.1 表面形貌

采用JEM-2100型透射电子显微镜观察ANFs溶液中ANFs的形貌及其分布。

采用DXS-10ACKT型扫描电子显微镜观察对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的表面及其截面形态。

1.3.2 红外光谱

采用Niolet 6700型红外光谱仪，利用衰减全反射法测量PP熔喷非织造材料、ANFs膜及对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的红外吸收光谱图。检测PP熔喷非织造材料表面ANFs膜的形态，扫描波数范围为600～4 000 cm-1。

1.3.3 透气性

参照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用YG461型全自动透气测试仪，测试PP熔喷非织造材料和对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的透气性能。同一试样取不同部位重复测定10次，结果取平均值。

1.3.4 孔径

参照GB/T 2679.14《过滤纸与纸板最大孔径的测定》，用具有一定表面张力的液体充分润湿试样，采用CFP-1100-AI型孔径测试仪测量试样的孔径大小及其分布。

1.3.5 过滤性能

采用TSI8130型自动滤料检测仪测量试样的过滤效率和过滤阻力。该滤料测试仪采用的气溶胶颗粒为NaCl。NaCl气溶胶颗粒的中值直径约为0.3 μm，设定流量为32 L/min，测试面积为100 cm2。每个试样测试3次，结果取平均值。

1.3.6 力学性能

参照GB/T 453—2002《纸和纸板抗张强度的测定(恒速加荷法)》，采用YG026MB多功能电子织物强力机测试各试样的纵横向强度。拉伸速度设定为100 mm/min，拉伸夹距为200 mm，试样宽度为50 mm。各试样重复测试5次，结果取平均值。

2 结果与分析

2.1 表面形貌

2.1.1 ANFs溶液

呈暗红色且混合均匀的ANFs溶液如图1a)所示。该分散液在隔绝水汽的条件下可长时间放置，具有良好的稳定性。分散液中ANFs纤维的形貌及分布如图1b)所示。ANFs纤维纵横交错，彼此相互缠绕，整体分布较为均匀。ANFs纤维的直径分布如图1c)所示。其中，ANFs纤维的平均直径为(25.6±2.1)nm，直径分布范围为21.4～28.3 nm，分布均匀度较好。

图1 ANFs溶液及其纤维的表面形貌和直径分布

2.1.2 复合过滤材料

对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的SEM照片(图2)显示，PP熔喷非织造材料的表面已形成一层连续、孔隙分布均匀的ANFs膜。作为涂覆基材的PP熔喷非织造材料呈一定的三维堆积结构，纤维杂乱排列，具有多孔隙、孔隙尺寸小等特点。ANFs溶液为对位芳纶纳米纤维膜在其表面的均匀涂覆提供了良好的条件和支撑作用。纳米纤维之间形成孔隙的大小决定了对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的孔径。

图2 对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的SEM照片

2.2 红外光谱分析

图3 红外光谱图

2.3 透气性

PP熔喷非织造材料与对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的透气率测试结果如表2。

表2 透气性能测试结果

由表2知，同等测试条件下，与未涂覆ANFs膜的PP熔喷非织造材料相比，对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的透气率下降了30%。这是因为ANFs膜在PP熔喷非织造材料表面形成了微小的孔隙，透气率下降。

2.4 孔径

PP熔喷非织造材料与对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的孔径分布对比如图4所示。

图4 孔径分布

对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的孔径分布区域较PP熔喷非织造材料变窄，主体孔径为0.5～1.5 μm，占比为68%，孔径的均匀性显著提高。

2.5 过滤性能

上述分析知，对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的孔径小，均匀性高，有在高精度空气过滤领域应用的潜力。本文使用TSI8130型自动滤料测试仪对覆膜前后两种试样的过滤性能进行分析比较(表3)，主要考察指标——过滤阻力﹑过滤效率和品质因数(kQF)。过滤阻力越小，过滤效率越高，则过滤材料的性能越好。kQF是评价过滤材料综合性能的一项有效指标，kQF=-ln(1-η)/Δp，其中，η为过滤效率，Δp为压降。PP熔喷非织造材料及对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的过滤效率、过滤阻力及kQF的测试结果如表3所示。

表3 覆膜前后两种试样的过滤性能

由表3可以看出，未覆膜的PP熔喷非织造材料的过滤效率仅为33.10%，而覆膜后的对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的过滤效率高达93.18%。说明覆膜后，PP熔喷非织造材料的表面形成了一层亚微米孔径的对位芳纶纳米纤维膜，该纳米纤维膜孔隙小、孔径分布集中，这有益于增加过滤阻力，有效阻止0.3 μm的NaCl气溶胶颗粒的通过，从而达到良好的过滤效果。

与PP熔喷非织造材料相比，对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料的过滤效率提高了182.36%，过滤阻力提高了48.28%，kQF也得以提高。因此，ANFs膜的涂覆可明显改善PP熔喷非织造材料的过滤性能。

2.6 力学性能

对比分析PP熔喷非织造材料与对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料在纵向(MD)与横向(CD)的断裂强度(图5)可知，涂覆ANFs膜后，对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料在MD与CD方向的断裂强度均较PP熔喷非织造材料得到明显提高，纵向提升了51.76%，横向提升了33.60%。这是因为ANFs膜具有较高的强力，其在改善熔喷非织造材料的强力方面发挥了作用，从而延长了过滤材料的使用寿命。

图5 覆膜前后两种试样的断裂强度

3 结论

本文利用碱液法制备ANFs溶液，采用静电发生器自动涂覆膜机技术，分别对PP熔喷非织造材料进行驻极和单次涂膜处理得到对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料。

该制备方法快速方便，可在短时间内得到大尺寸的对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料。熔喷非织造材料表层的纳米纤维膜主体平均孔径为0.5～1.5 μm，这为对位芳纶纳米纤维应用于非织造材料，大幅提升其功能性提供了技术参考。

(2)以对位芳纶纳米纤维膜为结构制备的对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料，对粒径为0.3 μm的NaCl气溶胶颗粒的过滤效率为93.18%，过滤阻力为42.14 Pa，较PP熔喷非织造材料过滤效率提高182.36%，而过滤阻力仅增加了48.28%，kTPP也由0.014提升到0.067，可见对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合滤料的过滤性能主要由对位芳纶纳米纤维膜提供。

(3)本试验制备的对位芳纶纳米纤维/熔喷非织造复合过滤材料具有良好的过滤性能和透气性能，其力学性能也得到了提升，其产品有望应用到高精度空气过滤领域的应用中。