有效捕捉PM 2.5并釋放負離子的PVDF納米纖維

劉兆麟

河北科技大學 紡織服裝學院(中國)

大氣顆粒物污染，尤其是PM 2.5污染，已成為影響健康的主要因素之一[1]。因此，人們對高效低阻空氣過濾材料的需求越來越強烈。近年來，具有醫(yī)療保健功能的空氣過濾材料已成為一種新的發(fā)展趨勢。負離子能有效治療哮喘、支氣管炎、高血壓等疾病，如果空氣中負離子濃度超過2 000個/cm3，將有助于增強人體的免疫系統(tǒng)[2]。人工生成負離子是保護健康的一種有益途徑。靜電紡絲技術是制備納米纖維的一種靈活、有效的方法，可從種類廣泛的聚合物中制備出具有可控結構和集成功能的納米纖維。納米纖維具有比表面積大、孔隙率高及孔結構連通等特點，是空氣過濾領域的理想材料[3-4]。然而，關于能夠釋放負離子且捕獲PM 2.5的納米空氣過濾材料的研究非常有限。

本研究在聚偏氟乙烯(PVDF)溶液中加入負離子粉，采用靜電紡絲工藝制備具有負離子釋放能力的納米纖維基空氣過濾材料。分析了負離子粉質(zhì)量分數(shù)對納米纖維形態(tài)結構、過濾性能和負離子釋放性能的影響。

1 試 驗

1.1 材 料

試驗原料：PVDF(Mw=660 000)、N，N-二甲基甲酰胺和平均粒徑為80 nm的負離子粉。

1.2 PVDF納米纖維的制備

在N，N-二甲基甲酰胺中加入PVDF，控制PVDF的質(zhì)量分數(shù)為16%，然后加入負離子粉攪拌溶解8 h，配制負離子粉質(zhì)量分數(shù)分別為0%，3%，6%和9%的紡絲液。在DT-1003型紡絲機上進行靜電紡絲，設置紡絲電壓為20 kV，紡絲速度為1 mL/h，接收距離為15 cm。

1.3 測試與表征

分別用NDJ-79型黏度計和DDS-310型電導率儀測試紡絲溶液的黏度和電導率。用TM3000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察PVDF納米纖維的形貌，使用Photoshop軟件在SEM圖上隨機選取50根纖維，測量并計算其平均直徑。用IMH01型負離子檢測儀測定負離子釋放量。采用TSI8530型自動過濾試驗機，在5 cm/s的氣流速度下，測試納米纖維膜的過濾效率和過濾阻力。為了進一步評價過濾介質(zhì)的綜合過濾性能，引入品質(zhì)因子(Q)，品質(zhì)因子越大，材料的綜合過濾性能越好[5]。

式中，η和Δp分別表示過濾效率和過濾阻力。

2 結果與討論

2.1 PVDF納米纖維的形態(tài)結構

不同負離子粉質(zhì)量分數(shù)條件下制得的PVDF納米纖維的SEM圖如圖1所示。表1給出了溶液性質(zhì)和納米纖維的平均直徑。結果表明，隨著負離子粉質(zhì)量分數(shù)從0%增大到3%，纖維平均直徑減小。這是因為負離子粉的加入大大提高了溶液的電導率，使得射流的表面電荷密度增大，從而增強了外加電壓的牽伸力。當負離子粉的質(zhì)量分數(shù)為6%時，溶液黏度增加，導致PVDF納米纖維的直徑有所增大。隨著負離子粉質(zhì)量分數(shù)進一步增加到9%，纖維平均直徑繼續(xù)增大，且負離子粉顆粒在纖維表面聚集[圖1d)]，這可歸因于過高的負離子粉含量和較強的射流不穩(wěn)定性。

a) 0%

b) 3%

c) 6%

d) 9%

表1 溶液性質(zhì)和PVDF納米纖維的平均直徑

2.2 PVDF納米纖維的空氣過濾性能

PVDF納米纖維的過濾效率和過濾阻力如圖2所示。

a) 過濾效率和過濾阻力

b) 品質(zhì)因子

由圖2a)可知，隨著負離子粉質(zhì)量分數(shù)的增加，過濾效率和過濾阻力均呈先上升后下降的趨勢。當負離子粉質(zhì)量分數(shù)為3%時，纖維直徑最細，納米纖維膜的過濾效率迅速提高，而過濾阻力的增長相對略慢。此時，品質(zhì)因子達到峰值0.040 7 Pa-1[圖2b)]。這證實了纖維直徑對構筑納米纖維過濾材料起關鍵作用。當負離子粉質(zhì)量分數(shù)增加到9%時，過濾效率因纖維直徑增大而降低，由于負離子粉對纖維間孔隙的堵塞作用，過濾阻力則保持在較高水平，導致品質(zhì)因子降至最低值。

2.3 PVDF納米纖維的負離子釋放性能

圖3為PVDF納米纖維在不同負離子粉質(zhì)量分數(shù)下的負離子釋放量。由圖3可知，隨著負離子粉質(zhì)量分數(shù)從0%增加到9%，負離子釋放量不斷增大。這主要是由于PVDF納米纖維周圍電場逐漸增強所致。數(shù)據(jù)表明，加入負離子粉可有效提高PVDF納米纖維的負離子釋放能力。值得注意的是，當負離子粉質(zhì)量分數(shù)為3%時，負離子釋放量已達2 026個/cm3，有利于人體健康。

圖3 不同負離子粉質(zhì)量分數(shù)下PVDF納米纖維的負離子釋放量

3 結論

采用靜電紡絲方法制備了不同質(zhì)量分數(shù)負離子粉摻雜的PVDF納米纖維。研究了負離子粉含量對PVDF納米纖維形態(tài)、空氣過濾性能和負離子釋放性能的影響。結果表明，負離子粉質(zhì)量分數(shù)為3%時，納米纖維的直徑最細，隨著負離子粉質(zhì)量分數(shù)從6%增加到9%，納米纖維的直徑變大。隨著負離子粉質(zhì)量分數(shù)的增加，納米纖維膜的過濾效率、過濾阻力和品質(zhì)因子均先升高后降低，負離子釋放量呈上升趨勢。當負離子粉質(zhì)量分數(shù)為3%時，PVDF納米纖維對PM 2.5的過濾效率可達98.6%，過濾阻力僅為105 Pa，負離子釋放量為2 026 個/cm3。