基于機(jī)織格柵的三維復(fù)合耐高溫過濾材料的開發(fā)*

劉 華 瞿才新 王曙東

(鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鹽城，224005)

基于機(jī)織格柵的三維復(fù)合耐高溫過濾材料的開發(fā)*

劉 華 瞿才新 王曙東

(鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鹽城，224005)

以芳砜綸為原料，在芳砜綸機(jī)織格柵上復(fù)合靜電紡芳砜綸納米纖維，獲得增強(qiáng)三維復(fù)合過濾材料。通過掃描電鏡、紅外光譜儀、X-衍射儀、熱分析儀以及電子織物強(qiáng)力儀等儀器對復(fù)合過濾材料的結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行測定。結(jié)果表明:納米纖維層與機(jī)織格柵相互嵌合成三維復(fù)合過濾材料;靜電紡絲法可制備連續(xù)、均勻、無珠狀物并含有大量孔隙的芳砜綸納米纖維;紅外光譜和X衍射表明靜電紡絲和材料復(fù)合不影響芳砜綸纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu);該三維復(fù)合過濾材料具有優(yōu)異的耐高溫性能、良好的過濾效果和力學(xué)性能，對直徑0.5 μm以下的粒子達(dá)到85%以上的過濾效率，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力大于1 000 N。

機(jī)織格柵，芳砜綸，靜電紡絲，復(fù)合，過濾材料

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)、電廠、有色金屬工業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域中產(chǎn)生的高溫含塵煙氣給環(huán)境和人類健康造成了很大的影響，采用怎樣的過濾材料直接決定著高溫含塵廢熱煙氣的過濾、排放效果。目前國內(nèi)外眾多科研人員已將耐高溫濾材作為一項熱門課題來研究，且對高溫濾材的原料選擇、結(jié)構(gòu)尺寸以及性能要求也越來越高。近年來，納米纖維過濾材料以其普通過濾材料無法比擬的優(yōu)異性能而得到較為廣泛的應(yīng)用，而靜電紡絲法是目前制備納米級過濾材料的一項簡單、可行的技術(shù)［1-3］，且制得的納米纖維具有高比表面積和高孔隙率，對小直徑的粒子具有優(yōu)異的過濾效果。Aussawasathien［4］將靜電紡PA 6納米纖維膜(纖維直徑30～110 nm)用作水預(yù)過濾膜，發(fā)現(xiàn)其能夠完全清除1～10 μm微粒，對0.5 μm 微粒的過濾效率達(dá)到 90%;Qin 等人［5］用聚乙烯醇(PVA)在PVA熔噴非織造布以及紡粘非織造布基質(zhì)上進(jìn)行靜電紡絲，制備了納米過濾材料，其靜電紡絲纖網(wǎng)的平均纖維直徑為200 nm，網(wǎng)的最小孔徑為600 nm，且鋪置靜電紡絲纖網(wǎng)后，復(fù)合過濾材料的過濾效率明顯高于紡粘非織造布基質(zhì)。但是，采用靜電紡絲法制備的納米級過濾材料強(qiáng)度較低，且尺寸穩(wěn)定性不好，嚴(yán)重限制了其在產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用。而機(jī)織布則強(qiáng)度高，且尺寸穩(wěn)定性高，但機(jī)織布孔徑分布單一，孔隙率較低，過濾效果較差，尤其對小直徑的粒子的過濾效果更差。為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本課題組開發(fā)一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、強(qiáng)度高、使用壽命長、過濾效果好的增強(qiáng)納米纖維耐高溫三維過濾材料。

芳砜綸(PSA)，學(xué)名為聚苯砜對苯二甲酰胺纖維，是主鏈上含有砜基的無規(guī)共聚物，由對苯二甲酰氯和4’4-二氨基二苯砜及3’3-二氨基二苯砜為主要原料聚合制成成纖聚合物后，溶解于二甲基乙酰胺中，然后經(jīng)濕紡工藝和干紡工藝加工而成，由于芳砜綸大分子主鏈上存在強(qiáng)吸電子的砜基基團(tuán)，通過苯環(huán)的雙鍵共軛，既有對位又有間位的結(jié)構(gòu)，大分子鏈上又有砜基存在，所以具有優(yōu)異的耐熱、耐燃及耐腐蝕性能，在300℃熱空氣中加熱100 h強(qiáng)力損失小于5%［6-8］。本研究首先是在織機(jī)上織造芳砜綸機(jī)織格柵，并作為基質(zhì)材料，再通過將芳砜綸纖維溶解于N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)/氯化鋰(LiCl)溶劑中制成紡絲溶液，通過靜電紡絲的方法，以機(jī)織芳砜綸格柵為收集裝置，在芳砜綸機(jī)織格柵上收集芳砜綸納米纖維膜，從而獲得增強(qiáng)靜電紡芳砜綸納米纖維三維過濾材料。通過掃描電鏡、紅外光譜儀、X-衍射儀、熱分析儀以及電子織物強(qiáng)力儀等儀器對三維過濾材料的結(jié)構(gòu)及其性能進(jìn)行測定，為將該三維過濾材料應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)化提供理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 芳砜綸機(jī)織格柵的織造工藝

芳砜綸機(jī)織格柵的經(jīng)、緯紗均為芳砜綸長絲，經(jīng)緯紗的細(xì)度均為99 dtex，采用Y200S型電子織布小樣機(jī)織造芳砜綸機(jī)織格柵，為了使三維復(fù)合過濾材料具有優(yōu)異的過濾效果，格柵的組織為紗羅組織，網(wǎng)孔尺寸5 mm×5 mm，經(jīng)緯紗的密度分別為96根/10 cm和72根/10 cm，小樣的幅寬為30 cm。

1.2 芳砜綸納米纖維的制備

將芳砜綸纖維于80℃的條件下溶解于LiCl質(zhì)量比例為4%的DMAc的溶劑中，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的均勻紡絲液，在自行設(shè)計的靜電紡絲裝置上制備芳砜綸納米纖維膜，高壓直流電源的正極與紡絲針頭(0.9 mm)相連，將芳砜綸機(jī)織格柵置于接地的金屬接收裝置上。靜電紡絲的條件為電壓25 kV，紡絲距離為15 cm，紡絲液喂入速度為0.1 mL/h。

1.3 芳砜綸納米纖維的形貌結(jié)構(gòu)及孔隙直徑

用日本電子公司JSM型掃描電子顯微鏡觀察納米纖維支架的形貌，分別放大1 000和5 000倍。采用photoshop軟件中的度量工具測定納米纖維的圖上直徑，對比掃描電鏡照片的標(biāo)尺算的納米纖維的實際直徑，并得到納米纖維的平均直徑。

由芳砜綸納米纖維的電鏡照片可以看出納米纖維顯現(xiàn)灰色，且表層纖維顏色淺，中間層顏色深，孔隙部分顯現(xiàn)黑色。因此，采用photoshop軟件，將芳砜綸納米纖維掃描電鏡照片按其色階—強(qiáng)度曲線分為三部分。低色階為芳砜綸納米纖維膜的孔隙部分(經(jīng)軟件處理后的白色部分)，高色階為芳砜綸納米纖維膜的表層纖維(經(jīng)軟件處理后的黑色部分)，其余色階為中層纖維部分。再根據(jù)Vaz［9］描述的方法，計算芳砜綸納米纖維膜的孔隙面積，再把面積擬合成圓，求的孔隙直徑的大小。

1.4 三維復(fù)合過濾材料的微觀結(jié)構(gòu)及耐高溫性能

用美國尼高力公司Nicolet5700系列紅外光譜儀、日本理學(xué) 2027型 X-射線衍射儀和美國PerkinElmer公司diamond型熱分析儀測定該三維復(fù)合耐高溫過濾材料的紅外光譜圖、X-射線圖譜和熱失重(TG)圖譜，測試方法及測試條件見文獻(xiàn)［10-11］。

1.5 過濾效果評價

將三維復(fù)合過濾材料剪成直徑為8 cm的圓形，采用YG461型數(shù)字式織物透氣儀測定過濾材料的透氣性能，設(shè)定壓差為127 Pa;采用CLG-03A型激光塵埃粒子計數(shù)器測定三維復(fù)合過濾材料對不同直徑粒子的過濾效率。

1.6 力學(xué)性能測定

將三維復(fù)合過濾材料剪成三條5 cm×35 cm的長條，在YG026B型電子織物強(qiáng)力機(jī)上測定三維過濾材料的斷裂強(qiáng)力及伸長。測試條件為拉伸速度20 cm/min，夾持長度20 cm，預(yù)張力100 cN，以三次測量值的平均值作為該試樣的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率。

2 結(jié)果與討論

2.1 三維復(fù)合過濾材料的復(fù)合機(jī)理

該三維復(fù)合耐高溫過濾材料并不是后紡制的芳砜綸納米纖維與先前織制的芳砜綸機(jī)織格柵的簡單疊加，而是會產(chǎn)生芳砜綸納米纖維與芳砜綸機(jī)織格柵的界面協(xié)同作用，納米纖維與格柵復(fù)合的界面是該三維復(fù)合耐高溫過濾材料產(chǎn)生界面效應(yīng)的原因［12-13］。研究表明三維復(fù)合材料中的基體材料主要起到固鉗的作用，而本研究所制備的三維復(fù)合過濾材料，基體材料是芳砜綸機(jī)織格柵，格柵的紗線直徑及孔洞均大于靜電紡納米纖維，因此在靜電紡絲時，在巨大靜電場力作用下，芳砜綸納米級纖維(直徑較小)瞬時到達(dá)芳砜綸機(jī)織格柵上(直徑和孔隙較大)，致使芳砜綸納米級纖維具有足夠的速度及空間飛行并固嵌到基體材料芳砜綸機(jī)織格柵中，使得納米纖維層與機(jī)織格柵相互嵌合成三維復(fù)合過濾材料。

圖1所示為芳砜綸納米纖維與芳砜綸機(jī)織格柵相互嵌合的示意圖，芳砜綸納米纖維直徑較小，嵌合到直徑和孔隙較大的芳砜綸機(jī)織格柵中去，受到機(jī)織格柵的固鉗作用，形成界面，進(jìn)而產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，這樣芳砜綸納米纖維就與芳砜綸機(jī)織格柵很好地復(fù)合在一起，從而應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)中，特別是應(yīng)用在煤炭、發(fā)電等領(lǐng)域時，能抵抗高的外力作用，而芳砜綸納米纖維膜與芳砜綸機(jī)織格柵能夠有機(jī)的結(jié)合在一起，不產(chǎn)生分離。

圖1 三維復(fù)合過濾材料構(gòu)建時芳砜綸納米纖維嵌入機(jī)織格柵示意圖

2.2 芳砜綸納米纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)及孔隙直徑

圖2(a)、圖2(b)分別顯示的是放大1 000倍和放大5 000倍的三維復(fù)合過濾材料芳砜綸納米纖維的SEM照片。將芳砜綸溶解于DMAc/LiCl中，在上述工藝條件下進(jìn)行靜電紡絲，紡出成纖良好、連續(xù)均勻、無珠狀物產(chǎn)生、平均直徑為(1 242±231)nm的芳砜綸納米纖維。

作為過濾材料，需有大量的孔隙及合適的孔隙直徑。為進(jìn)一步清晰地分析芳砜綸納米纖維的孔隙并準(zhǔn)確地計算其孔隙直徑，采用photoshop軟件將圖2(a)放大1 000倍的芳砜綸納米纖維按照其色階—強(qiáng)度曲線［圖2(c)］進(jìn)行處理，使得孔隙部分可以清晰的顯現(xiàn)出來，圖2(d)中，低色階部分(白色部分)為芳砜綸納米纖維的孔隙，高色階部分(黑色部分)為芳砜綸納米纖維膜的表層納米纖維。反之，圖2(e)中，高色階部分(黑色部分)為芳砜綸納米纖維的孔隙，低色階部分(白色部分)為芳砜綸納米纖維膜的表層纖維。

圖2 靜電紡芳砜綸納米纖維膜SEM照片

由圖2(d)可見，芳砜綸納米纖維膜表面存在大量的孔隙，孔隙的分布及形態(tài)可由圖2(e)的黑色部分所示，同樣表明芳砜綸納米纖維膜存在大量并可貫穿孔隙，據(jù)圖2(e)和圖2(f)計算纖維膜的孔隙面積，將面積擬合成圓，求得孔隙直徑由從幾十納米到幾微米不等，平均孔隙直徑為(1 164±242)nm(表1)。由表1還可見，基于機(jī)織格柵的芳砜綸納米纖維的平均直徑及孔隙直徑較純芳砜綸納米纖維的變化大不，表明機(jī)織格柵對納米纖維的形態(tài)、直徑及孔隙影響不大，同時也表明靜電紡絲以及材料的復(fù)合對納米纖維的結(jié)構(gòu)及形貌影響不大。

表1 基于機(jī)織格柵的芳砜綸納米纖維直徑及孔隙直徑

2.3 三維過濾材料的微觀結(jié)構(gòu)及耐高溫性能

采用紅外光譜［圖3(a)］和X-衍射［圖3(b)］來表征該三維復(fù)合過濾材料的微觀結(jié)構(gòu)。由紅外光譜圖及表2三維復(fù)合過濾材料的特征吸收峰可見，該三維復(fù)合過濾材料結(jié)構(gòu)中存在仲氨基、酰胺Ⅰ鍵、酰胺Ⅱ鍵、酰胺Ⅲ鍵等基團(tuán)，上述分析表明該三維復(fù)合過濾材料的微觀結(jié)構(gòu)中存在—CONH—基團(tuán);1 101 cm－1處是—SO2—(砜基)的特征吸收峰;833 cm－1處是苯環(huán)的特征吸收峰;上述對三維復(fù)合過濾材料的微觀結(jié)構(gòu)分析表明該三維復(fù)合過濾材料的微觀結(jié)構(gòu)與芳砜綸纖維的結(jié)構(gòu)吻合［14］，表明靜電紡絲及材料的復(fù)合并沒有改變基體材料及復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。由X-衍射圖譜可見，該三維復(fù)合過濾材料的結(jié)晶衍射峰較平滑，表明該復(fù)合材料為無規(guī)共聚物，與芳砜綸的結(jié)晶結(jié)構(gòu)一致，同樣表明靜電紡絲及材料的復(fù)合并沒有改變基體材料及復(fù)合材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。采用熱失重曲線［圖3(c)］來表征該三維復(fù)合耐高溫過濾材料的耐高溫性能。有圖3(c)可見，該三維復(fù)合過濾材料在50℃以前質(zhì)量保持恒定，幾乎沒有發(fā)生熱失重，隨著溫度的逐漸升高，復(fù)合過濾材料的質(zhì)量保持率逐漸開始下降，表明該三維復(fù)合過濾材料開始發(fā)生分解，但由圖3(c)可見，在400℃前復(fù)合過濾材料的質(zhì)量保持率下降較緩慢，超過400℃以后下降較為劇烈，至450℃附近時，該三維復(fù)合材料的質(zhì)量保持率仍保持在90%左右，表明該三維復(fù)合過濾材料具有優(yōu)異的耐高溫性能。

表2 三維復(fù)合耐高溫過濾材料的紅外特征吸收峰

圖3 三維復(fù)合過濾材料微觀結(jié)構(gòu)及耐高溫測試曲線

2.4 三維復(fù)合過濾材料的過濾效果及其力學(xué)性能

測定三維復(fù)合過濾材料的透氣性能、過濾效率及其力學(xué)性能，作為對照，同時測定純芳砜綸納米纖維膜以及機(jī)織格柵的上述性能，結(jié)果見表3。由表3可見，三維復(fù)合過濾材料具有良好的透氣性能586 L/(m2·s)，且具有優(yōu)異的過濾效率，對0.5 μm以下的粒子達(dá)到85%以上的過濾效率，對0.5～1 μm的粒子達(dá)到90%以上的過濾效率;相對于純芳砜綸納米纖維膜其透氣性能有一定的下降，但是過濾效率顯著提高;機(jī)織格柵的透氣性能雖好(因為格柵的孔洞較大)，但是其基本起不到過濾的作用。三維復(fù)合過濾材料的斷裂強(qiáng)度為(1128±28)N(大于1 000 N)，已達(dá)到產(chǎn)業(yè)用的要求，其斷裂伸長率為(36.8±2.4)%，表明該三維復(fù)合材料具有良好的彈性;由表3可見，復(fù)合材料的力學(xué)性能與機(jī)織格柵的力學(xué)性能基本保持一致，同樣表明靜電紡絲及材料復(fù)合并沒有對芳砜綸的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而相對于純芳砜綸的力學(xué)性能，復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純芳砜綸纖維膜，但是斷裂伸長率較納米纖維膜有一定的下降;純芳砜綸納米纖維膜雖具有良好的過濾效果，但是其力學(xué)性能嚴(yán)重限制了其在產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用。

表3 三維復(fù)合過濾材料的過濾效果及力學(xué)性能

3 結(jié)論

(1)復(fù)合過濾材料的納米纖維層與機(jī)織格柵相互嵌合成三維復(fù)合過濾材料，納米纖維層與機(jī)織格柵有機(jī)的復(fù)合在一起，不會受外力影響而分離。

(2)通過靜電紡絲法可成功地制備成纖良好、纖維連續(xù)均勻、無珠狀物的芳砜綸納米纖維，纖維的平均直徑為(1 242±231)nm;復(fù)合材料的納米纖維層上存在大量的孔隙，孔隙的平均直徑(1 164±242)nm。

(3)紅外光譜和X衍射表明靜電紡絲和材料復(fù)合并沒有影響芳砜綸纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu);熱分析結(jié)果表明該三維復(fù)合過濾材料具有優(yōu)異的耐高溫性能。

(4)該三維復(fù)合過濾材料具有良好的過濾效果和力學(xué)性能，對直徑0.5 μm以下的粒子達(dá)到85%以上的過濾效率;三維復(fù)合過濾材料的斷裂強(qiáng)力大于1 000 N，可用于產(chǎn)業(yè)化。

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Development of the three-dimensional blended heatresisting filter materials based on the woven grating

Liu Hua，Qu Caixin，Wang Shudong
(Yancheng College of Textiles Technology)

To develop the filter materials with excellent machanical，filterable and heatresisting properties，the PSA was used as materials.The three-dimensional blended filter materials were obtained by blended the electrospun PSA nanofibers and PSA grating.The structure and properties of the blended materilas were characterized by means of SEM，F(xiàn)TIR，XRD，TG-DSC and electronic fabric tensile tester.The results showed that the electrospun PSA nanofibrous membrane could adhere to the woven grating well.The PSA nanofibers with continuous，homogeneous，non-beaded fibers and higher porosity.FTIR and XRD results indicated that the electrospinning and blending did not affect the microstructure of the PSA fibers.The three-dimensional belended filter materials had excellent heatresisting，filterable and mechanical properties，which had more than 85%filter efficiency to the particles with diameter less than 0.5 μm.The breaking strength of the blended filter materials was higher than 1 000 N.

woven grating，PSA，electrospinning，blending，filter materials

102.512

A

1004－7093(2011)10－0007－06

* 鹽城紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點課題(yfy1047)

2010－04－01

劉華，男，1970年生，副教授。主要研究方向為紡織新材料和紡織教育。

王曙東，E-mail:sdwang1983@163.com。