安徽工业大学建筑工程学院-钱付平等：空气过滤用静电纺纳米纤维膜的制备

（1）式中，e 为液滴所带电荷，C；R 为液滴半径，m；ε0为真空介电常数,8.85×10 -12F/m。

当液体表面电荷斥力大于表面张力打破平衡后，注射器喷头末端的液滴就会分裂成多个

小液滴，形成静电雾化，泰勒锥表面就会有聚合物射流高速喷出。喷出的射流经过电场力拉

伸、溶剂挥发、固化，最终在接收装置上沉积，形成静电纺纳米纤维膜。图 1 为静电纺纳米

纤维膜制备过程示意图。

制备总质量为 10 g 的五份不同 PAN 浓度静电纺丝液，分别取质量为 0.7，0.9，1.1，1.3

和 1.5 g PAN 粉末溶于质量为 9.3，9.1，8.9，8.7 和 8.5 g 的 DMF 溶液中，将所获得的混合

物放置在水浴加热磁力搅拌器上，60°C 下匀速充分搅拌 6 小时，获得混合均匀的透明黄色

静电纺丝液，纺丝液浓度分别为 7%，9%，11%，13%和 15%。使用双针头纺丝法，将制备

完成的纺丝液装入两支容量为 5 ml 的注射器中进行静电纺丝。静电纺丝机主要工作部分包

括注射泵、移动平台，接收装置，当注射器针尖连接到高压电源时，高压升高，可以看到稳

定的聚合物射流。选用 21 号精密不锈钢针头，将注射器放置于主推注泵中，设置主泵推注

速度为 0.0013 mm/s，调整针头与接收器之间的距离为 13 cm、转筒采用铝箔进行接收、设

置接收器的转速为 200 r/min、纺丝温度为 35°C，纺丝湿度为 30%，纺丝电压为 18 kV。收

集到的 PAN 静电纺纳米纤维膜放置在干燥箱中 80°C 干燥 24 h。
 

图 1 静电纺纳米纤维膜制备过程示意图

Fig.1 Schematic diagram of the preparation process of electrospinning nanofiber membranes

2.2.2 不同静电纺丝时间静电纺纳米纤维膜的制备

制备总质量为 10 g 的 PAN 浓度的静电纺丝液，将所获得的混合物放置在水浴加热磁力

搅拌器上，60°C 下匀速充分搅拌 6 小时，获得混合均匀的透明黄色静电纺丝液。使用双针

头纺丝法，将制备完成的纺丝液装入两支容量为 5 ml 的注射器中进行静电纺丝，设置 5 种

不同的静电纺丝时长，分别为 3 h，5 h，6 h，7 h，和 9 h。静电纺丝参数设置为：主泵推注

速度为 0.0013 mm/s，调整针头与接收器之间的距离为 13 cm、转筒采用铝箔进行接收、设

置接收器的转速为 200 r/min、纺丝温度为 35°C，纺丝湿度为 30%，纺丝电压为 18 kV。收

集到的 PAN 静电纺纳米纤维膜放置在干燥箱中 80°C 干燥 24 h。

2.3 表征与测试

2.3.1 SEM 测试

在制备出的纳米纤维膜上各剪取一块尺寸为 3 mm×3 mm 的测试样品，采用 JFC-1600

型离子溅射仪对试样进行 120 s 的喷金处理，然后，采用 NANO SEM430 型场发射扫描电子

显微镜(SEM)观察纳米纤维及纤维膜的表面形貌[19]。在每组试样中随机选取 50 根纳米纤维，

测量纤维直径，取平均值。

2.3.2 孔径测试

采用 ASAP 2460 氮气吸脱附仪（BET）,将制备的样品置于真空中，以去除材料表面和

孔隙中的水分和其他杂质。然后，将氮气缓慢地引入材料中，直到氮气与材料表面和孔隙达

到平衡状态。在这个平衡状态下，氮气已经完全吸附在材料表面和孔隙中，形成一定的吸附

量，根据所添加的氮气量和吸附等温线的形状来计算材料的孔径大小。

2.3.3 厚度测试

采用采用 5205-25 电子千分尺测试纳米纤维膜的厚度。对不同纳米纤维膜样品的 5 个不

同位置进行纤维膜厚度测试取平均值，以分析不同纺丝时间对应的静电纺纳米纤维膜的厚度

差别。2.3.4 过滤性能测试

将沉积在铝箔上的纳米纤维膜转移到多孔纱网上，多孔纱网的孔径约 3 mm，测试压降

为 2 Pa，效率为 5.45%，可忽略不计。分别剪取直径为 13 cm 的圆形过滤样品，采用 XZJF001

型颗粒物全效率测试台测试纳米纤维膜的过滤性能。利用气溶胶发生器中的氯化钾（KCl）

产生一定粒径分布和质量分数的颗粒物，使带有气溶胶颗粒的气流进入膜夹具中，并穿过有

效面积为 121 cm2的纳米纤维膜，测试得出纤维膜的过滤效率及过滤阻力，用品质因子 QF

对纤维膜过滤性能进行综合评价。

过滤效率 E：气流通过待测纤维膜时，被纤维膜过滤掉的颗粒物浓度与过滤之前的颗粒

物浓度之比，所得的过滤效率越高代表纤维膜的过滤性能越好。

要求.

图 2 为静电纺纤维膜过滤性能测试原理示意图。进行过滤性能测试时，同时选用普通一

次性口罩内膜作为对比材料，来说明静电纺纳米纤维过滤材料高效低阻的特性。设置气体流

速为 6.89 cm/s，进行纳米纤维膜的过滤性能测试。每组试样测试 3 次，结果取 3 次测试的

平均值。

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

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

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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