王明芳 周 鳳

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州213164）

靜電紡絲（簡(jiǎn)稱(chēng)電紡）工藝參數(shù)的改變可制備直徑范圍在納米至亞微米的超細(xì)納米纖維膜，電紡膜比表面積較大、吸附能力較強(qiáng)，防護(hù)過(guò)濾性能好，電荷儲(chǔ)存能力強(qiáng)；駐極熔噴布的纖維越細(xì)比表面積越大，吸附效果就越好，駐極熔噴布電荷儲(chǔ)存時(shí)間雖長(zhǎng)，但電荷會(huì)因外界環(huán)境因素散失而降低過(guò)濾性能。研究環(huán)境溫度、濕度、化學(xué)物質(zhì)等因素對(duì)濾材電荷的衰減有助于分析環(huán)境對(duì)濾材過(guò)濾性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料

選用企業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)的2種面密度的電暈駐極PP熔噴布（1#樣單位面積質(zhì)量為25.6g/m2、2#樣單位面積質(zhì)量為32.0g/m2），纖維直徑分布在2～7μm；納米纖維膜強(qiáng)力低,實(shí)驗(yàn)室自制2種面密度的納米纖維層與基布駐極熔噴布復(fù)合膜（3#樣、4#樣）。

1.1 實(shí)驗(yàn)室自制靜電紡絲復(fù)合膜

通過(guò)對(duì)聚丙烯腈溶液施加外加電場(chǎng)，受庫(kù)倫斥力的帶電液滴克服表面張力形成噴射細(xì)流來(lái)制備納米纖維，在噴射過(guò)程中,溶劑迅速蒸發(fā),細(xì)流固化成超細(xì)纖維落在接收裝置的駐極熔噴布上形成無(wú)序狀的纖維膜。

1.1.1 試紡材料及裝置

試紡材料：（1）聚丙烯腈（PAN，相對(duì)分子量15000），蘇州輝通旺塑化有限公司提供；（2）N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶劑，山東德彥化工有限公司提供；（3）基布：基布為面密度12.5g/m2的駐極熔噴布，透氣率為485mm/s，過(guò)濾效率22%，阻力32.8Pa。

試紡儀器：（1）恒溫磁力加熱攪拌器；WZ-50C6微量注射泵；萬(wàn)分位電子天平；YG141D數(shù)字式織物厚度儀；塑料鑷子；注射器20mL；（2）DW-P303-3ACCC高壓直流電源，輸出電壓在0～50kV可調(diào)，電流50mA；

實(shí)驗(yàn)室自制靜電紡絲裝置如圖1，高壓靜電加在噴頭上，通過(guò)調(diào)節(jié)流量泵壓力控制流速；接收板接地，在噴頭和接收板之間形成一個(gè)電場(chǎng)，接收板上放置聚丙烯（PP）熔噴纖維布作為基布接受纖維噴射流。

圖1 實(shí)驗(yàn)室自制試驗(yàn)靜電紡絲裝置

1.1.2 試紡樣品

為測(cè)試分析樣品性能，采用前期試紡研究得到的最佳工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)單因素紡絲工藝制取纖維膜，固定電壓在20kV，實(shí)驗(yàn)中配置10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液放置在磁力攪拌器上，常溫?cái)嚢璧玫骄鶆蛲该髑覠o(wú)氣泡的紡絲溶液，注入到注射器中；噴絲頭與收集板之間距離為150mm；紡絲液流速0.8mL/h。設(shè)計(jì)紡絲時(shí)間，獲取電紡膜樣品，選取納米層的纖維直徑約為250～500nm，納米纖維層面密度1.0g/m2為3#樣，選取納米纖維層面密度2.2g/m2為4#樣。

2 環(huán)境因素變化對(duì)性能的影響

選用納米纖維層與基布駐極熔噴布復(fù)合膜及駐極熔噴布為研究對(duì)象，模擬存放環(huán)境，探討環(huán)境溫度、濕度、存放時(shí)間及乙醇對(duì)1#、2#、3#、4#樣品表面靜電、透氣性能、過(guò)濾性能、氣流阻力的影響。

2.1 預(yù)處理

將試樣放入FAST恒溫烘箱中，設(shè)定一溫度恒溫處理30min，自然冷卻；將試樣放入可程式恒溫恒濕箱中，設(shè)定一濕度恒濕處理60min；乙醇處理；試樣放置一定時(shí)間。

2.2 測(cè)試

氣溶膠顆粒物的過(guò)濾效率是檢測(cè)口罩的一項(xiàng)重要指標(biāo)，依據(jù)《GB19083-2010醫(yī)用防護(hù)口罩技術(shù)》要求，防護(hù)等級(jí)為1級(jí)的口罩對(duì)于鹽性氣溶膠顆粒物過(guò)濾效率≥95%，過(guò)濾效率≥99%為2級(jí)，過(guò)濾效率≥99.97%為3級(jí)。在氣體流量為85L/min情況下，口罩的吸氣阻力不得超過(guò)343.2Pa。對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的試樣按國(guó)標(biāo)進(jìn)行靜電、透氣性及過(guò)濾性能測(cè)試。使用YG342N感應(yīng)式織物靜電測(cè)試儀及HX-8220表面抵抗試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品靜電性能；參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，采用南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司的YG461N型透氣性測(cè)試儀，在測(cè)試面積為20cm2、試樣壓差為100Pa的試驗(yàn)條件下測(cè)試樣品透氣率；使用溫州方圓儀器有限公司FYY268-II顆粒物過(guò)濾效率測(cè)試儀測(cè)試電紡膜及駐極熔噴布的過(guò)濾效率和過(guò)濾阻力，在氣體流速為85L/min的鹽性氣溶膠顆粒（NaCl溶液中Na－Cl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）的試驗(yàn)條件下，測(cè)試4種樣品的顆粒過(guò)濾效率及氣流阻力。

3 結(jié)果與分析

1#—4#原樣過(guò)濾性能見(jiàn)表1，納米纖維層面密度為2.2g/m2的過(guò)濾效率最高且濾阻滿(mǎn)足醫(yī)用防護(hù)品等級(jí)要求。

表1 1#—4#原樣過(guò)濾性能

3.1 溫度影響

四塊樣品都隨著溫度的升高而出現(xiàn)峰值靜電衰減（圖2），在試驗(yàn)溫度37℃、60℃時(shí)的衰減率明顯小于實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到70℃以后的衰減率，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，從淺阱中逐步釋放出的電荷逸出或被深阱重新捕獲。

圖2 環(huán)境溫度改變時(shí)樣品靜電值

3.2 濕度影響

隨著環(huán)境濕度的增加，樣品的靜電衰減變大（圖3），復(fù)合膜的衰減大于駐極熔噴布，相對(duì)濕度小于50%時(shí)峰值靜電較穩(wěn)定，相對(duì)濕度50%以下的濕度環(huán)境有利于電紡膜及駐極熔噴布電荷的儲(chǔ)存，口罩在佩戴時(shí)也會(huì)因積累水份而加快電荷的散失。

圖3 環(huán)境濕度改變時(shí)樣品靜電值

3.3 存放時(shí)間

實(shí)驗(yàn)樣品選擇常溫條件存放，測(cè)試其間隔一定時(shí)間的靜電散失情況（圖4），隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng)，電荷呈減少趨勢(shì)。

圖4 存放時(shí)間對(duì)樣品靜電影響

圖5 靜電衰減對(duì)過(guò)濾性影響

3.4 環(huán)境介質(zhì)

對(duì)四塊樣品均勻噴灑不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙醇，濾材中的電荷迅速衰減，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大電荷衰減越快，這是因?yàn)槿軇┓肿訒?huì)使聚合物發(fā)生輕微溶脹，破壞濾材中的陷阱而加速材料中電荷的釋放。

3.5 靜電對(duì)樣品過(guò)濾效能及透氣性的影響

電暈駐極熔噴布、電紡復(fù)合膜均因靜電荷衰減而使過(guò)濾效率下降，但納米電紡復(fù)合膜仍能保持較高的過(guò)濾效率，電暈駐極熔噴布在靜電荷散失后過(guò)濾效率下降較多。電暈駐極熔噴布的過(guò)濾機(jī)理分為機(jī)械過(guò)濾和靜電吸附，纖維直徑在4～10μm，對(duì)細(xì)小顆粒物的過(guò)濾效果并不理想，靜電散失后很難通過(guò)機(jī)械作用過(guò)濾掉0.3μm左右的顆粒；納米電紡膜的纖維直徑?。?50～500nm），較大的比表面積，能過(guò)濾掉更小粒徑的鹽性氣溶膠。

高溫、高濕、長(zhǎng)時(shí)間存放對(duì)樣品的透氣性影響較小，這是因?yàn)闉V材的三維纖維結(jié)構(gòu)具有良好的透氣性；乙醇對(duì)樣品的過(guò)濾性能影響較大，此條件下透氣性的研究已不具備意義。

4 總結(jié)

（1）在熔噴布表面復(fù)合了納米纖維后，透氣性下降，但隨著納米膜面密度的增加，復(fù)合納米纖維膜的過(guò)濾效率顯著增加；電荷衰減對(duì)復(fù)合膜過(guò)濾效率的降低程度好于PP駐極熔噴布，納米纖維層的孔徑小，基布與納米層復(fù)合后過(guò)濾性能的提高主要取決于納米纖維的性能。

（2）PP駐極體有較好的電荷耐久性，但電荷隨溫度、環(huán)境濕度和時(shí)間的增加逐漸衰減，過(guò)濾效率也會(huì)相應(yīng)下降，高溫、高濕環(huán)境都不宜存放PP駐極熔噴布。

（3）使用過(guò)程中，為增加濾材靜電荷的穩(wěn)定性和保證口罩的過(guò)濾效率，應(yīng)避免高溫高濕的存放環(huán)境，不使用乙醇消毒。