《纺织科技进展》2024年第6期选登：微/纳米纤维层状复合非织造材料的制备及过滤性能

文献引用格式:陈如欢,杨东兰,黄春玲,等.微/纳米纤维层状复合非织造材料的制备及过滤性能[J].纺织科技进展,2024,46(6):28-32.

微/纳米纤维层状复合非织造材料的制备及过滤性能

陈如欢1,杨东兰1,黄春玲1,钱 幺1* ,吴波伟2,邬晓龙1

(1.五邑大学纺织科学与工程学院,广东江门529020;

2.广州检验检测认证集团有限公司,广州511447)

基金项目:五邑大学学生创新创业项目(2020CX14);五邑大学大学生创新创业训练计划项目(202211349224)

第一作者:陈如欢(2003—),女,本科生,研究方向为纺织工程。

*通信作者:钱 幺(1990—),讲师,博士,研究方向为空气过滤材料及环保型非织造材料。

摘 要:为研究纳米纤维对复合非织造材料结构和过滤性能的影响,以单层ES(PE/PP)纤维网作为纳米纤维的接收基材,利用静电纺丝技术将聚丙烯腈纳米纤维(PAN)均匀收集在纤维网表面。将纤维网进行层叠,得到PAN/ES复合纤维网后,经热风粘合加固制成复合非织造材料。测试分析不同结构设计对复合非织造材料的透气透湿、强力及过滤性能的影响。结果表明,相同条件下,随着单层微米纤维网克重的减小,即纳米纤维层数的增加,复合非织造材料的过滤阻力和过滤效率均呈现先下降后上升再下降的趋势,当纳米纤维层数为7层时,复合非织造材料的纵横向断裂强力及过滤效率最佳;随着各层纺丝时间梯度差的增大,非织造材料的过滤阻力和过滤效率均是先增大后减小再增大,当纺丝时间梯度差为3min时,过滤效率与过滤阻力均最高。    

关键词:ES纤维;纳米纤维;层状复合;过滤性能;断裂强力

随着工业快速发展,伴之产生的废气污染对人们的生活造成了严重影响,还给社会带来了巨大的经济损失。非织造过滤材料是解决烟尘污染物的重要材料,对微米级粉尘的过滤具有效率高、阻力低且廉价的特点,因而在过滤领域得到广泛应用[1-2];但有些领域对微细颗粒的高效过滤要求极为严格,往往需要用到纳米纤维来制备过滤材料[3-4]。纳米纤维因其直径小、比表面积大、孔径小、吸附能力强,对微细粒子拦截效率高,成为近年来过滤领域的研究重点与热点[5-7],但是纳米纤维层强力极低、易分层[8-9],难以单独使用,因此常与机织布、非织造布、纤维网、膜材料等基材结合使用[10-13]。其中,纤维网作为纳米纤维的载体,不仅在复合加固方式上比较灵活,而且复合后不会较大影响非织造材料的通透性,因此可以利用纳米纤维层和微米纤维网来制备复合非织造材料。微米纤维层起骨架作用,纳米纤维层起填充和核心过滤作用,通过结合纳米纤维和微米纤维各自的优点,达到提升过滤性能的目的。在实现微米纤维和纳米纤维复合时,机械固网工艺可能会对各层造成破坏,并且影响纳米纤维的均匀性,而热粘合固网方式则减小对各层结构的影响。

以微纳米纤维叠层方式设计复合非织造材料的结构,利用热风粘合固网方式实现纤维层状间的复合,并对多层结构与过滤性能之间的关系进行研究分析,旨在为开发高效低阻过滤材料提供参考。

1 试验部分    

1.1 原料与仪器

原料:聚丙烯腈粉末(平均分子量85000,上海阿拉丁生化科技有限公司);N-N-二甲基甲酰胺(DMF,相对分子质量73.09,天津市科密欧化学试剂有限公司);ES纤维(0.67tex×51mm,江苏江南高纤股份有限公司)。

仪器:JJ1000型电子天平(常熟市双杰测试仪器厂);84-1型磁力搅拌器(上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司);AS181A 型梳棉试验机(江西纺织机械厂);101A-2型电热鼓风烘箱(宁波纺织仪器厂);静电纺丝装置(实验室自制);YG028织物强力机(宁波纺织仪器厂);YG461G 全自动透气量仪(宁波纺织仪器厂);YG601H 电脑式织物透湿仪(宁波纺织仪器厂);TSI8130型自动滤料检测仪(美国TSI公司)。

1.2 纤维网准备

ES纤维经开松、梳理成均匀纤维网(单层克重分别为18.75、20.00、21.43、25.00、30.00、35.00、50.00g/m2)若干,纤维网尺寸为26cm×76cm,作为静电纺丝的接收基材。

1.3 纺丝液的配置

在室温下,将聚丙烯腈粉末加入到DMF溶剂中,磁力搅拌10h至均匀透明,配成(质量分数)10%的纺丝溶液。

1.4 微/纳米纤维复合网的制备

将制备的单层ES纤维网均匀地卷绕在静电纺丝机的不锈钢接收辊筒表面。将PAN纺丝溶液注入10mL注射器中,选择静电纺丝针头内径为0.8mm。静电纺丝参数为:纺丝电压16kV,接收距离11cm,纺丝注射量6mL/h,纺丝温度27℃,相对湿度45%~50%。

多层均匀结构设计见表1,微纳米纤维复合非织造材料总克重为180g/m2(多层叠加后),总纺丝时间均为60min。每一层微米纤维网上喷射一层纳米纤维,叠层之后为了防止表层纳米纤维破坏,最后在最上层都加上一层克重为30g/m2的微米纤维网。    

多层时间梯度结构设计见表2,在相同的微米纤维层数(6层)和单层克重(30g/m2)条件下,设计5层纳米纤维的纺丝时间具有梯度分布,总纺丝时间均为60min,即每层纳米纤维网上纺丝时间不同,有一定时间差(公差)。各试样的每层纺丝时间差分别为d0 =0min、d1 =1min、d2 =2 min、d3 =3 min、d4 =4min。其中,试样#2-6是相同克重下,不喷射纳米纤维层的空白对照试样。

1.5 热风粘合固网

将制备好的微纳米纤维复合非织造材料放置于电热鼓风烘箱中,设置加热温度140 ℃,加热10min,完成微纳米纤维各层的热粘合。

1.6 复合非织造材料的性能测试

1.6.1 基本规格    

根据非织造材料的相关测试标准对所制备试样的厚度、克重等进行测试。

1.6.2 透气性能

根据标准GB/T5453—1997,采用YG461G 型自动透气量仪进行透气性测试,将试样放置在全自动透气量仪器的2 个夹具之间,选取试样测试面积为20cm2,采用恒定测试压差为100Pa,透气率单位选择mm/s,每个试样选取不同位置进行多次测试并取平均值。

1.6.3 透湿性能

根据标准GB/T40910—2021,采用YG(B)216-Ⅱ型织物透湿量仪进行透湿性能测试,选用蒸发法测试,设定试验箱的温度T =38 ℃,相对湿度RH=50%,风速v =0.5m/s。将试样裁剪好,向透湿杯中倒入34mL的蒸馏水,然后安装并密封好透湿杯,称取质量;待试验箱的温湿度达到设定值时,将透湿杯平稳地放入到试验箱中,1h后取出称重,记为m1;再次放入试验箱中,再过1h后取出称重,记为m2。透湿量计算:WVT=24×Δm/(A ×t),其中,A 是样品有效测试面积0.00283m2,Δm =m1 -m2,t=1h。

1.6.4 拉伸断裂性能

根据标准GB/T3923.2—2013,采用YG028织物强力机测试试样的拉伸断裂性能。试样夹持距离为150mm,移动速度为100 mm/min,每个试样沿纵横向各裁剪5块200mm×50mm 的样条进行测试,取其平均值。

1.6.5 过滤性能

采用TSI8130型自动滤料测试仪测试过滤性能,其中气溶胶为雾化氯化钠溶液(质量分数0.2%~0.3%)所产生的单分散的盐性颗粒(NaCl),颗粒物的质量中值粒径为0.26μm,气溶胶颗粒浓度为12~20mg/m3,测试气体流量为32L/min,测试面积为100cm2。    

2 结果与分析

2.1 复合非织造材料的基本性能指标

复合非织造材料的基本性能见表3,由表3可知,各试样克重有一定偏差,试样#1-1~#1-5的铺叠层数逐渐增大,因此材料的厚度也逐渐变大,材料蓬松度提高;通过对比透气、透湿性能,可以发现,在一定范围内,随着微米纤维层数的增加,透湿性能逐渐增强,但透气性能的规律不明显。

2.2 复合非织造材料的拉伸断裂性能

2.2.1 纳米纤维层数对拉伸断裂性能的影响

图1为多层(3~8层)均匀结构下微纳米纤维复合非织造材料的拉伸断裂性能,由图1可知,横向和纵向拉伸断裂强力均随着纤维层数的增加而逐渐增大,到7层复合时达到最大,随后有所下降。原因可能是,在总纺丝时间(60min)一定时,随着层数的增加,每一层的纺丝时间减少,更有利于各层之间微纳米纤维的粘合,故3层的粘合效果最差;当层数增加到一定程度后,相同克重下材料的蓬松度有所增加,会影响整个热风非织造材料的热风穿透,进而影响非织造材料的热粘合效果,导致材料的力学性能下降。    

(a)横向拉伸断裂强力和断裂伸长率

(b)纵向拉伸断裂强力和断裂伸长率

图1 纳米纤维层数对复合非织造材料拉伸断裂性能的影响

2.2.2 纺丝时间梯度对拉伸断裂性能的影响

在纺丝时间、总克重、纳米纤维层数和热风粘合条件相同情况下,多层非均匀结构的微纳米纤维复合非织造材料的拉伸断裂性能与每一层纳米纤维纺丝时间梯度公差的关系如图2所示。由图2可知,在一定范围内,横向拉伸断裂强力均随着纺丝时间梯度公差的增加而逐渐下降;纵向拉伸断裂强力均随着纺丝时间梯度公差的增加而缓慢上升,但到3min梯度差时增加到最大,随后有所下降。原因可能是,在总纺丝时间(60min)一定时,随着纺丝时间梯度公差的增加,各层之间微纳米纤维的差异性越大,公差为0(即均匀性结构)时的粘合效果好。    

(a)横向拉伸断裂强力和断裂伸长率

(b)纵向拉伸断裂强力和断裂伸长率

图2 纺丝时间梯度对复合非织造材料拉伸断裂性能的影响    

2.3 复合非织造材料的过滤性能

2.3.1 纳米纤维层数对过滤性能的影响

如图3所示,在相同纺丝时间和总克重不变的情况下,通过改变微米纤维网叠加层数,即改变单层微米纤维网的克重,可以发现随着单层微米纤维网克重的减小,微纳米纤维复合非织造材料的过滤阻力和过滤效率的变化一致,均先下降后上升再下降,其中在纳米纤维层数为7 层时,即单层微米纤维网的克重为21.43g/m2时,非织造材料的过滤性能最好,但过滤阻力也最大。

图3 纳米纤维层数对复合非织造材料过滤性能的影响

2.3.2 纺丝时间梯度对过滤性能的影响

如图4所示,在相同纺丝时间、克重和热风粘合条件下,随着纺丝时间梯度公差的增大,非织造材料的过滤阻力和过滤效率的变化均是先增大后减小再增大,其中公差为3min时最大,公差为4min时最小。    

图4 纺丝时间梯度对复合非织造材料过滤性能的影响

3 结 论

(1)随单层微米纤维网克重的减小,微纳米纤维复合非织造材料的过滤阻力和过滤效率的变化一致,均先下降后上升再下降。在纳米纤维层数为7层时,即单层微米纤维网的克重为21.43g/m2时,非织造材料的纵横向断裂强力最高,过滤效率最好,但过滤阻力也最大。

(2)随纺丝时间梯度公差的增大,非织造材料的过滤阻力和过滤效率的变化均是先增大后减小再增大。纺丝时间梯度差为3min时,过滤效率与过滤阻力均最高。

参考文献见《纺织科技进展》2024年第6期。

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