活性炭PAN静电纺膜复合滤材的酒精气体过滤性能

严涛海,时雅菁,李永贵,彭建伟,陆东东

(1. 闽江学院福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室,福建 福州 350121；2.闽江学院服装与艺术工程学院,福建 福州 350121；3.福建省运动鞋面料重点实验室,福建华峰新材料有限公司,福建 莆田 351164)

0 引言

当前由于工业排放污染,导致部分城市出现严重的雾霾现象,空气中充满PM2.5对人的身体有很严重的危害。现如今人们越来越注重身体健康,当前新房装修导致室内空气污染如甲醛含量超标可能引发致癌等一系列健康问题引发人们的重视。这些空气污染问题使得空气过滤材料受到众多学者和专家的关注及青睐,过滤材料发挥着日益重要的作用,有着广泛的的需要和巨大的发展空间。

20世纪初帝国主义国家之间的战争中,出现了在战场中用的防毒面具使用石棉纤维织物作为过滤滤芯。在1940年代,美利坚众合国发明了一种空气过滤器其内部使用玻璃纤维织物作为过滤滤芯。到上世纪50年代,由于化工纤维行业的迅速发展出现了众多新型纤维织物产品为过滤领域提供新的原材料。科学研究者发现无纺布与针机织布相比,无纺布的过滤性最好,不仅如此无纺布还有生产简单成本低产量高等优点逐渐在过滤领域成为主流应用材料。在高效过滤范畴中,纳米纤维毡的过滤能力碾压普通纤维,它只需要一个非常薄的纳米纤维层,其空气过滤性能就能大幅提高[1-2]。因为它具有比表面积大,孔径小等优点[3]。在1934年,Formhals发明了一种利用高压电场作用力下制备聚合物纳米纤维的装置,并申请了专利,这是最早记载静电纺的文献。静电纺丝利用高压电源产生的高压电场作用力下将聚合物喷射拉伸纺丝。静电纺纺出来的纤维是纳米级的,传统方法制成的纤维一般是微米级的。前者比后者直接少两个数量级。纳米级纤维具有大比表面积、孔径小。因此纳米纤维具有较强的吸附性和过滤性,可以用来做吸附材料和过滤材料,在生物医疗航空领域都有相关涉及[4]。

活性碳是一种人造碳产品,它的内部有旺盛的孔隙结构和超大的比表面积,活性炭有强大的吸附性[5]。已被广泛运用在化工、环境如污水处理等行业。活性炭的孔径容积较大。它是一种人造碳,它由隔离空气的有机物加热碳化成形的,在这个过程中与气体发生反应,表面被侵蚀,形成小孔[6-7]。它的表面上有无数微小的孔洞和巨大的比表面积(最高可以到达3000m2/g)[8-9]。这些特殊的结构使得活性炭在空气中具有极好的吸附性[10]。活性炭最主要的功用之一就是它具有很好的吸附特性,它能够从气象或者是液相中来吸附各种不具有极性的物质,有广阔的用途[11-12]。

本文分析了机织物、针织物、无纺布三种面料的过滤性能,选择过滤性能相对好的的面料针刺无纺布作为复合面料的基布,在基布上复合活性炭,通过改变活性炭的厚度探究其对酒精气体吸附性能的影响。酒精气体为有机气体的代表,本文的研究成果将对研究其吸附其他有机毒害气体具有借鉴意义。

1 实验

1.1 实验原料和设备

无水乙醇,分析纯,购于国药集团化学试剂有限公司。聚丙烯腈(PAN),分析纯,分子量10万,购于国药集团化学试剂有限公司。N,N-二甲基甲酰胺(dmf),分析纯,购于国药集团化学试剂有限公司。活性炭购于天津市北联精细化学。YG(B)461D-Ⅱ数字式织物透气量仪购于温州大荣纺织仪器有限公司。HW-1808酒精测试仪购于深圳华通天下科技有限公司。正压防护头套购于福州霖美防护科技有限公司。日立TM4000Plus台式扫描电子显微镜购于日本日立公司。

1.2 活性炭厚度对透气性影响

准备好一个塑料饮料瓶,剪去底部及顶部,保留5cm上下无遮盖的空瓶。用机织布做底部将圆柱固定,将活性炭倒入圆柱中。用数字式织物透气量仪测试不同厚度的活性炭的透气效率。

1.3 活性炭厚度对无水乙醇过滤吸附性能影响

用针织布做成不同厚度的袋子,将活性炭装到袋子里,将容量为100mL的烧杯中倒入80mL的无水乙醇,放置在桌面上一小时,使其挥发使周围充满酒精气体,用酒精测试仪测试烧杯正前方固定某一距离的酒精浓度,使用正压防护头套如图1所示,测试活性炭的过滤吸附性能。

图1 正压防护头套

具体方法为将其自带的标准过滤器链接在过滤器的送风机上,将送风机放置在烧杯正前方固定某一距离,开启送风机开关,让其工作五分钟左右,其防护头罩中的空气充分交换,将酒精测试仪放到防护头罩中测试其浓度。将自制的活性炭袋子作为过滤器固定链接在送风机上,开启送风机开关,让其工作五分钟左右,让防护头罩中的空气与外界空气充分交换,将酒精测试仪放到防护头罩中测试其浓度,图2和图3为其测试图。

图2 头套测试1

图3 头套测试2

为了让防护头罩中的残留酒精含量清零,避免接下来测试的误差,我们将正压防护头罩自带的标准过滤器链接在送风机,将设备放在通风口,打开开关,让防护头罩中的空气与外面新鲜空气充分交换,接下来再用酒精测试仪测试防护头罩中的酒精浓度,结果为0。更换不同厚度活性炭袋子,重新倒入新的活性炭颗粒到袋子中,重复上述步骤,测试其酒精浓度,这样就能得到不同厚度活性炭对酒精气体的过滤吸附性能。

1.4 静电纺丝膜的制备

使用称量纸称取一定质量的PAN颗粒放入瓶中,并按实验需求加入N,N-二甲基甲酰胺配制溶液浓度为13%时,室温下并磁力搅拌器匀速搅拌8h,得到纺丝液用于后续的静电纺丝实验。纺丝环境的温度约为23℃、相对湿度为40%、纺丝的流量为1mL/h、施加电压20kv、针头到接收滚筒接收距离12mm、纺丝时间为3h。

2.5 活性炭/静电纺膜复合滤材对无水乙醇过滤吸附性能的影响

用针织布做成不同厚度的袋子,将活性炭装到袋子里。将容量为100mL的烧杯中倒入80mL的无水乙醇,放置在桌面上一小时,使其挥发使周围充满酒精气体,用酒精测试仪测试烧杯正前方固定某一距离的酒精浓度。

具体方法为将其自带的标准过滤器链接在过滤器的送风机上,将送风机放置在烧杯正前方固定某一距离,开启送风机开关,让其工作五分钟左右,其防护头罩中的空气充分交换,将酒精测试仪放到防护头罩中测试其浓度,取下标准过滤器,然后将静电纺膜替换作为过滤器固定链接在送风机上,开启送风机开关,让其工作五分钟左右,让防护头罩中的空气与外界空气充分交换,将酒精测试仪放到防护头罩中测试其浓度。

将活性炭与静电纺膜贴合,变化活性炭厚度,重复上述步骤,测试防护头罩中的酒精浓度,这样就能得到不同活性炭厚度复合静电纺膜对无水乙醇过滤吸附性能。

2 结果与讨论

2.1 静电纺丝纳米纤维膜分析

用电镜观察静电纺膜的表面形态,下图4是放大10000倍时静电纺丝纳米纤维的表面形态。可以看出,这些纳米纤维的形态较好,具有比较均匀的纤维直径分布,纤维平均直径523.2±30。

图4 制备的的纳米纤维SEM图

2.2 活性炭在电镜下的状态

用电镜扫描活性炭,下图5为活性炭的表面形态。这是个不规则形状的活性炭,它的直径大概2～3mm,表面有很多细小的孔洞。由于其表面有很多孔隙,所以其表面积巨大。

图5 活性炭的扫描电镜图

2.3 活性炭厚度的透气性

用数字式织物透气量仪测试不同厚度活性炭的透气性,表1是活性炭厚度与其透气性的关系。活性炭厚度越厚,其平均透气性越低,呈线性下降趋势。

表1 活性炭厚度与透气率关系

2.4 活性炭厚度对无水乙醇的过滤性能

用正压防护套测试活性炭对无水乙醇的吸附效果,表2活性炭厚度对无水乙醇过滤吸附关系是具体数值。活性炭具有较强的过滤吸附性能,当活性炭越厚,过滤吸附能力越强,但是当到达一定厚度时,活性炭不能完全过滤吸附酒精气体。猜测可能是由于活性炭与活性炭之间有一定的间隙,酒精气体可以从间隙中穿过去。

表2 活性炭厚度对无水乙醇过滤吸附关系

2.5 静电纺膜对无水乙醇过滤吸附性能

用正压防护套测试静电纺膜对无水乙醇的吸附效果,表3是具体数值。静电纺膜对无水乙醇有一定的过滤效果。

表3 静电纺膜对无水乙醇过滤吸附性能

2.6 活性炭厚度复合静电纺膜对无水乙醇过滤吸附性能

用正压防护套测试活性炭复合静电纺膜对无水乙醇的吸附效果,表4是具体数值。从表4可看出,活性炭复合静电纺膜的过滤性能比没有复合静电纺膜的过滤性能大幅提高,没有复合静电纺膜的活性炭,仍有一部分酒精会穿过活性炭,活性炭不能完全过滤吸附酒精气体。炭复合静电纺膜后,其过滤吸附性能大幅提高,当活性炭厚度超过25mm后,活性炭复合静电纺膜可以完全过滤吸附酒精气体。

表4 不同活性炭厚度复合氧化亚铜静电纺膜对无水乙醇过滤吸附性能

3 结论

本文通过研究活性炭复合纳米纤维毡/针刺无纺布面料,探究了活性炭复合纳米纤维毡/针刺无纺布后的过滤吸附性能。选用聚丙烯腈(PAN)为原料,配制纺丝液质量分数13%,制成静电纺纳米纤维毡滤料。利用正压防护头罩测试过滤吸附酒精性能,活性炭复合纳米纤维毡/针刺无纺布面料的过滤性能比没有复合的过滤性能大幅提高,没有复合纳米纤维毡/针刺无纺布面料的活性炭,仍有一部分酒精气体会穿过活性炭,活性炭不能完全过滤吸附酒精气体。活性炭复合静电纺膜后,其过滤吸附性能大幅提高,当活性炭厚度超过25mm后,活性炭复合静电纺膜可以完全过滤吸附酒精气体。这种复合了活性炭、静电纺膜的滤材具有完全、有效过滤有毒有害气体的潜力。