納米復(fù)合口罩過濾性能影響因素的正交試驗分析

翁浦瑩,金夢楚,蒙冉菊,張金婧,吳俊鵬,高慧英

(嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 紡織與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,浙江 嘉興314000)

空氣質(zhì)量是一個嚴(yán)峻的環(huán)境問題,尤其是霧霾的出現(xiàn)。霧霾中的顆粒物成分極其復(fù)雜,由空氣中的灰塵、二氧化硫、氮氧化物、有機碳?xì)浠衔锏却罅繕O細(xì)微的干塵粒子組成,是肉眼無法分辨的氣溶膠和固態(tài)微粒,PM2.5是霾的主要污染物,已經(jīng)嚴(yán)重影響到人們的生活質(zhì)量?？谡忠殉蔀橐环N人們使用頻率很高的日常用品,目前市面上有各種各樣聲稱可以防PM2.5的口罩,但這些口罩絕大多數(shù)都是使用無紡布、紗布、塑料網(wǎng)布等制備而成,他們的孔隙都比較大,一些細(xì)小的顆粒依舊能穿過口罩進(jìn)入鼻腔[1],因此對于口罩過濾性能的研究具有較高的價值。

靜電紡絲技術(shù)是一種簡便高效的纖維新型加工技術(shù),其制備的纖維膜具有高孔隙率和大比表面積,在空氣過濾、防護(hù)服、傳感器、組織工程支架和膜分離材料等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注[2]。而靜電紡納米纖維膜與傳統(tǒng)濾料相比,擁有更高的過濾效率和更好的性能[3-4]。正因為絲膠復(fù)合納米具有高的比表面積、多孔結(jié)構(gòu)和高的孔隙率,所以能夠促進(jìn)水和氧氣的透過[5]。絲膠蛋白(SS)無毒,具備較好的抗氧化性、抗菌性以及良好的生物相容性、生物降解性[6];聚環(huán)氧乙烷(PEO)是一種水溶性的高聚物,能溶于水,且水溶液在低濃度也具有較高的黏性,并且與SS之間具有一定相容性或部分相容性[7]。選用絲膠蛋白、聚環(huán)氧乙烷作為原料,利用靜電紡絲技術(shù),制備納米復(fù)合口罩,設(shè)計正交試驗,通過直觀分析表與效應(yīng)曲線圖分析納米復(fù)合口罩的過濾性能。

1 試驗部分

1.1 材料

試驗中所用絲膠蛋白(上海步克醫(yī)藥科技有限公司),簡稱SS;聚環(huán)氧乙烷(平均分子量為10萬,阿拉丁試劑有限公司),簡稱PEO;克重為16、20、24 g/m2無紡布(浙江省桐鄉(xiāng)市崇福利民衛(wèi)生用品廠);試驗用水采用超純水。

1.2 儀器與設(shè)備

HSW-1磁力攪拌恒溫水浴鍋(上海極恒實業(yè)有限公司);HJ-5型多功能攪拌器(鄭州長城科工貿(mào)有限公司);F M1107靜電紡絲設(shè)備(北京富友馬科技有限公司);AUY120電子天平(日本SHI MADZU公司);Gerti Test 8130型自動濾料測試儀(美國TSI公司)。

1.3 絲膠納米復(fù)合口罩用料的制備

將SS粉與超純水混合,加熱攪拌配制20%濃度的SS溶液;將PEO與超純水混合,加熱攪拌配制濃度為6%的PEO溶液;將20%SS水溶液與6%PEO水溶液混合并攪拌均勻,得到SS/PEO紡絲液。在室溫條件下,利用靜電紡絲技術(shù),將SS/PEO紡絲液噴射到接收屏處,以無紡布為基底接收靜電紡納米纖維得到絲膠納米復(fù)合口罩用料。靜電紡絲參數(shù)設(shè)置為紡絲電壓25 k V,紡絲距離20 c m,紡絲速度分別為0.001、0.004、0.007 ml/s,得到納米纖維平均直徑分別為283、472、671 n m[8]。

1.4 正交試驗設(shè)計

無紡布的質(zhì)量及層數(shù)對口罩的過濾性、吸氣阻力及透氣性都會產(chǎn)生一定的影響,為了優(yōu)化納米口罩的制備工藝,在前期試驗探索時,利用3水平4因素的正交試驗,設(shè)計了不同紡絲時間、平均纖維直徑納米纖維膜與不同克重數(shù)不同層數(shù)無紡布復(fù)合的過濾性能,以L9(34)正交分析表分析影響納米復(fù)合口罩過濾性能的主要因素,試驗參數(shù)如表1所示。

表1 納米復(fù)合口罩工藝參數(shù)正交試驗表

1.5 測試與表征

采用美國TSI公司的Gerti Test 8130型自動濾料測試儀測量納米復(fù)合口罩用料的過濾效率和吸氣阻力。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米復(fù)合口罩過濾效率分析

根據(jù)納米復(fù)合口罩制備工藝正交表L9(34)進(jìn)行試驗,測量納米復(fù)合口罩的過濾效率,得到納米復(fù)合口罩過濾效率直觀分析表,如表2所示。通過表中的極差比較發(fā)現(xiàn),四項因素中極差最大的是紡絲時間,其次依次為平均纖維直徑、無紡布層數(shù)、無紡布克重,極差越大,所對應(yīng)的因素影響越重要。由此得出結(jié)論:試驗范圍內(nèi),紡絲時間是影響納米復(fù)合口罩過濾效率的最重要因素,平均纖維直徑的影響次之,而無紡布層數(shù)和無紡布克重對過濾效率的影響較小。

表2 納米復(fù)合口罩過濾效率直觀分析表

根據(jù)各影響因素水平與納米復(fù)合口罩過濾效率的關(guān)系,得到效應(yīng)曲線圖,如圖1所示。從圖1中可以看出,隨著各影響因素值的增大,納米復(fù)合口罩的過濾效率均呈現(xiàn)相似規(guī)律,都隨著各因素值的增加而增加,但到達(dá)一定的數(shù)值后,增值逐漸趨于平緩。過濾效率越大表示納米復(fù)合口罩的過濾效果好,由過濾效率試驗得出納米復(fù)合口罩制備的最佳工藝參數(shù):紡絲時間為10 h,平均纖維直徑為472 n m,無紡布克重為20 g/m2,無紡布層數(shù)為2層。

圖1 納米復(fù)合口罩過濾效率效應(yīng)曲線圖

2.2 納米復(fù)合口罩吸氣阻力分析

根據(jù)納米復(fù)合口罩制備工藝正交表L9(34)進(jìn)行試驗,測量納米復(fù)合口罩的吸氣阻力,得到納米復(fù)合口罩吸氣阻力直觀分析表,如表3所示。通過表3中的極差比較發(fā)現(xiàn),影響口罩過濾性能因素的排序為:紡絲時間＞平均纖維直徑＞無紡布克重＞無紡布層數(shù)。由此得出結(jié)論:試驗范圍內(nèi),紡絲時間是影響納米復(fù)合口罩吸氣阻力最重要的因素,平均纖維直徑的影響次之,而無紡布克重和無紡布層數(shù)對吸氣的影響較小。

根據(jù)各影響因素水平與納米復(fù)合口罩吸氣阻力的關(guān)系,得到納米復(fù)合口罩吸氣阻力效應(yīng)曲線圖,如圖2所示。通過觀察可見,隨著主要影響因素紡絲時間增加,納米復(fù)合口罩吸氣阻力先保持平穩(wěn)略微下降,達(dá)到一定值后吸氣阻力急速增加;其他三項影響因素增大,吸氣阻力都隨著各因素值的增加而增加,先增加緩慢,到達(dá)一定值后吸氣阻力增加急速。吸氣阻力小表示納米復(fù)合口罩的過濾效果好,由吸氣阻力試驗得出納米復(fù)合口罩制備的最佳紡絲時間同樣為10 h。

口罩濾料的常用指標(biāo)有過濾效率、吸氣阻力,納米復(fù)合口罩既要有良好的過濾性還要有很低的吸氣阻力,綜合兩個正交試驗,防霾納米口罩的最佳工藝參數(shù):紡絲時間10 h,平均纖維直徑472 n m,無紡布克重20 g/m2,無紡布層數(shù)2層。根據(jù)該工藝重新制備新的樣品,測試的結(jié)果:過濾效率為99.1%,吸氣阻力為137.4 Pa(約為14 mm H2O)。

表3 納米復(fù)合口罩吸氣阻力直觀分析表

圖2 納米復(fù)合口罩吸氣阻力效應(yīng)曲線圖

3 結(jié)論

基于正交試驗設(shè)計方法,設(shè)計L9(34)正交分析表,測試納米復(fù)合口罩的過濾效率與吸氣阻力,采用直觀分析法和效應(yīng)曲線圖分析了影響納米復(fù)合口罩過濾效率和吸氣阻力因素,得到結(jié)論:

(1)紡絲時間是影響納米復(fù)合口罩過濾效率的最重要因素,平均纖維直徑的影響次之,而無紡布層數(shù)和無紡布克重對過濾效果的影響較小。

(2)紡絲時間是影響納米復(fù)合口罩吸氣阻力最重要的因素,平均纖維直徑的影響次之,而無紡布克重和無紡布層數(shù)對吸氣的影響較小。

(3)納米復(fù)合口罩的最佳工藝參數(shù):紡絲時間為10 h,平均纖維直徑為472 n m,無紡布克重為20 g/m2,無紡布層數(shù)為2層。根據(jù)該工藝重新制備新的樣品,測試的結(jié)果:過濾效率為99.1%,吸氣阻力為137.4 Pa(約為14 mm H2O)。