图2 静电纺纳米纤维膜过滤性能测试示意图
Fig.2 Schematic diagram of membrane filtration properties of electrospinning nanofiber membranes
3 结果与讨论
3.1 不同PAN质量分数静电纺纳米纤维膜的性能测试与分析
普通过滤膜一般只能满足一个优异的过滤条件,要么效率高阻力高,要么阻力低效率低[12]。例如,测试实验中用到的普通一次性口罩过滤膜的过滤阻力△P较低约为79 Pa,但其对PM2.5的过滤效率只有83%。而实验制备的几种不同浓度的纤维膜都表现出比普通过滤膜更好的过滤性能。实验所有制备的过滤膜均表现出较高的PM2.5去除效率,过滤效率E均大于90%,如图3a所示。因此,静电纺纳米纤维过滤材料能够满足高效低阻的要求。为进一步全面评估过滤性能,通过计算得到了过滤膜的品质因子QF,如图3b所示。可以看出,普通过滤膜的QF值较低,为0.023 Pa-1,说明其过滤性能较差,相比之下,所制备的不同浓度PAN静电纺纳米纤维过滤材料显示出更好的过滤性能。其中,当PAN浓度为9%,其纤维平均直径为418.11 nm,孔径为254 nm,PAN浓度为9%的静电纺纳米纤维膜PM2.5过滤效率为96.53%,阻力约为32 Pa,QF约为0.105 Pa-1,优于其他浓度PAN静电纺纳米纤维膜和普通一次性口罩过滤膜。不同浓度PAN静电纺纳米纤维膜测试所得过滤性能、过滤压降、品质因子、纤维直径及孔径,如表1所示。
图3 普通过滤膜和不同浓度静电纺纳米纤维膜的PM2.5过滤效率、过滤阻力及品质因子
Fig.3 PM2.5 filtration efficiency, filtration resistance and quality factors of ordinary filtration membrane and electrospun nanofiber membranes with different concentrations
采用SEM对纤维膜进行表征,如图4所示,所有纤维膜都是由纳米纤维随机分布排列而成,形成了复杂的立体无序空腔结构,这样的结构使得静电纺纳米纤维膜在拦截过滤空气中的颗粒物的同时,为空气中的其他气体分子提供了通道。由图4可知,随着PAN质量分数的增大,所得纳米纤维膜中的纤维直径越大。当PAN质量分数为7%时,纤维膜形貌不规则,部分纤维上出现了纺锤形珠粒,此时由于PAN含量较少,纺丝溶液较稀,溶液粘度低,静电纺丝射流被拉伸时分子链相互作用力较小,聚合物分子链收缩导致分子链团聚,使得制备出的纤维上出现纺锤体。保持其他静电纺丝参数不变,随着PAN质量分数的增大,纺丝液浓度增加,分子链间相互作用力增强,纤维上的纺锤珠粒消失,纤维形貌逐渐规整,纤维直径逐渐增大。
实际制备过程中,PAN质量分数过大,纺丝溶液的黏度随之增大,针头处液滴表面因分子引力不平衡而产生的张力也相应增大,液滴从针头喷出后的分散能力减弱,不利于纺丝;PAN质量分数过小,则纺丝溶液的黏度小,不利于液滴分裂,且在较小的接收距离下,液滴易直接被吸附到接收装置上,从而破坏纤维膜[20,21]。当PAN质量分数为9%时,纺丝溶液的黏度适宜,纺制的纤维直径小,平均纤维直径为418.11 nm,纤维膜较均匀,有利于提高其过滤效果。因此,本文选择9%浓度的PAN静电纺纳米纤维膜进行后续实验测试。
图4 (a-e)7%、9%、11%、13%和15%浓度PAN静电纺纳米纤维膜的SEM图片及纤维直径分布
Fig.4 (a-e) SEM images and fiber diameter distribution of 7%, 9%, 11%, 13% and 15% PAN electrospun nanofiber membranes
表1 不同浓度PAN静电纺纳米纤维膜参数
Table 1 Parameters of electrospun nanofiber membranes with different concentrations of PAN
纺丝液浓度
(%) |
过滤效率
(%) |
过滤压降
(Pa) |
品质因子
(Pa-1) |
纤维平均直径
(nm) |
孔径
(nm) |
7 |
99.94 |
72 |
0.103 |
280 |
406 |
9 |
96.53 |
32 |
0.105 |
418 |
254 |
11 |
93.22 |
30 |
0.090 |
740 |
508 |
13 |
93.03 |
31 |
0.086 |
1200 |
272 |
15 |
90.23 |
30 |
0.076 |
1300 |
187 |
3.2 不同静电纺丝时间静电纺纳米纤维膜的性能测试与分析
对浓度为9%的PAN纳米纤维膜,分别设置了3 h,5 h,6 h,7 h和9 h五个静电纺丝时长,制备获得的纳米纤维膜通过如图5a所示的过滤性能测试可知,五种厚度的纤维膜过滤性能相差不大,过滤效率均在96% 以上,通过观察如图6所示的SEM图和纤维直径分布图发现,这可能是由于相同的纺丝液浓度使得纤维膜具有类似的纤维直径导致的。纺丝时间决定着静电纺纳米纤维膜的厚度和纤维覆盖程度,由于纺丝时间的增加,纤维膜厚度相应增加,测量得到纺丝时长为3 h的静电纺纳米纤维膜厚度为0.015 mm,纺丝时长为5 h,6 h,7 h和9 h的静电纺纳米纤维膜厚度分别为0.024 mm,0.027 mm,0.029 mm和0.037 mm。可以看出纺丝时间继续增加时,纤维膜厚度的增加趋势相对减缓,这主要是因为带电纤维在接收器上长时间积累后与其他带电纤维相互排斥导致的。静电纺丝时间越长,制备出的纤维膜层与层之间越密实,提高了颗粒物过滤效率,但同时使得纤维膜具有更大的过滤压降。
过滤效率和过滤阻力与纤维膜的厚度存在直接的关系,一般情况下,想爱你为膜的厚度越大,过滤效率和过滤阻力都会增大。所以若单纯采用效率和阻力之一来对比纤维膜过滤性能的好坏,是不科学的[22]。因此结合图5b所示品质因子QF可以看出,当静电纺丝时长为5 h时,其纤维膜厚度为0.024 mm,孔径为209 nm,静电纺纳米纤维膜的过滤效率为99.99%,过滤压降为67 Pa,此时品质因子最高,为0.137 Pa-1。不同纺丝时长制备出的静电纺纳米纤维膜测试所得过滤性能、过滤压降、品质因子、纤维直径,厚度及孔径如表2所示。
图5不同静电纺丝时长静电纺纳米纤维膜的PM2.5过滤效率、过滤阻力及品质因子
Fig.5 PM2.5 filtration efficiency, filtration resistance and quality factors of electrospun nanofiber membranes at different electrospinning duration
图6 (a-e)纺丝时长为3 h,5 h,6 h,7 h和9 h的PAN静电纺纳米纤维膜的SEM图片及纤维直径分布
Fig.6 (a-e) SEM images and fiber diameter distribution of PAN electrospun nanofiber membranes with electrospinning duration of 3 h, 5 h, 6 h, 7 h and 9 h
表2 不同纺丝时长制备出的静电纺纳米纤维膜参数
Table 2 Parameters of electrospun nanofiber membranes prepared at different electrospinning
duration
纺丝时长
(h) |
过滤效率
(%) |
过滤压降
(Pa) |
品质因子
(Pa-1) |
纤维平均直径
(nm) |
厚度
(mm) |
孔径
(nm) |
3 |
96.53 |
32 |
0.105 |
418.11 |
0.015 |
254 |
5 |
99.99 |
67 |
0.137 |
396.07 |
0.024 |
209 |
6 |
99.84 |
58 |
0.111 |
385.67 |
0.027 |
243 |
7 |
99.82 |
74 |
0.085 |
430.00 |
0.029 |
266 |
9 |
99.68 |
89 |
0.065 |
510.00 |
0.037 |
267 |
4 结论
本文采用双针头静电纺丝法制备了五种不同浓度和五种不同纺丝时长的PAN静电纺纳米纤维膜,研究了PAN浓度与静电纺丝时长两种静电纺丝参数对纳米纤维膜的影响,得到以下结论:
(1)制备所得的纳米纤维膜的形貌与过滤性能随着静电纺丝参数的改变而改变。纺丝溶液中,PAN质量分数对纳米纤维膜的纤维直径、孔径和过滤效率有非常显著的影响。当PAN质量分数越大,纺丝液粘度相应增大,分子链间相互作用力增强,液滴从针头喷出后的分散能力减弱,所得静电纺纳米纤维的直径越大;当静电纺丝时长越长,相应的静电纺纳米纤维膜的厚度越大,厚度的增加导致纺丝时间较长的纤维膜具有更大的过滤压降。
(2)在所制备的不同PAN浓度静电纺纳米纤维膜中,当PAN质量分数为9%时,纺丝溶液的黏度适宜,纺制的纤维直径小,平均纤维直径为418,.11 nm,纤维膜较均匀,孔径为254 nm,过滤效率为99.94%,过滤阻力为32 Pa,此时品质因子最高,为0.105 Pa-1。
(3)当PAN质量分数为9%时,在所制备的不同纺丝时长静电纺纳米纤维膜中,当静电纺丝时长为5 h时,其纤维膜厚度为0.024 mm,平均纤维直径为396.07 nm,孔径为209 nm,静电纺纳米纤维膜的过滤效率为99.99%,过滤压降为67 Pa,此时品质因子最高,为0.137 Pa-1。上述实验分析表明,PAN浓度为9%,静电纺丝时长为5h的静电纺PAN纳米纤维膜颗粒物过滤效率最高,是良好的空气过滤膜。
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