Page 39 - 《精细化工》2021年第8期

第 8 期 吴延鹏，等: 静电纺丝纳米纤维膜空气过滤研究进展 ·1533·

或者过滤阻力越低，QF 越大，则说明滤料的过滤性 命。如陈程等 [30] 将醋酸纤维素纳米纤维直接沉积在
能越好。静电纺丝纳米纤维展现出高效的过滤性能， PET 非织造基材表面上，然后在纳米纤维膜表面覆
使其成为空气过滤的主要滤料之一。 盖一层 PET 无纺布，制得夹层复合结构。结果证明，
1.2 多层复合纳米纤维膜 均匀纳米纤维有利于提高复合滤材的过滤效率，同
静电纺丝纳米纤维膜纤维层之间黏附性差，很 时纤维上产生的串珠结构有利于降低复合滤材的过
容易分离，且机械强度低，耐久性不好，所以不能 滤阻力；随着纺丝时间的增加，复合滤膜的过滤效
单独形成滤料。传统纤维作为过滤材料虽然有较好 率从 69.23%增大到 97.91%。
的力学性能，但由于其直径都在微米级，对细小颗 近些年，研究者们开发出一种梯度结构过滤材
粒物的过滤效果并不理想。因此，在实际应用中通 料，指的是构成材料的要素（如：组成、结构）沿
常需要将纳米纤维膜与熔喷、纺粘、针织布复合， 某一方向呈变化趋势的过滤材料。如杨雨琼等 [31] 采
目前已经有以玻璃纤维 [26] 、涤纶（PET） [27] 、纤维 用两步法将不同配比的 PAN/TiO 2 纳米纤维组合成
素纤维 [28] 等过滤材料作为基布的纳米纤维复合过滤 梯度复合滤膜，梯度复合滤膜的过滤阻力相较纯
材料的研究。 PAN/TiO 2 膜降低了 110 Pa，并且力学性能也有所提
最早研究者直接将纳米纤维覆盖在机械强度较 升。李丽等 [32] 以 PP 无纺布为基底支撑层，在其表
高的普通滤料基布表面，称为单层复合结构。基布 面电纺一层 PET 微米纤维膜和一层尼龙 6（PA6）
作为支撑提高复合材料的机械强度，纳米纤维层提 纳米纤维制得三层复合纳米纤维膜，PP 无纺布对
高过滤性能。如 WANG 等 [29] 在常规滤料基布上电纺 0.33 µm 以下的粒子几乎没有过滤作用，仅用来增加
一层聚氯乙烯（PVC）/聚氨酯（PU）纤维，制备出 复合纳米纤维膜的力学性能。结果证明，纳米纤维
对空气中颗粒物具有优异过滤性能的单层复合结 的密集度可以明显增加复合膜的过滤效率，但同时
构。通过对比，基布上没有覆盖纳米纤维时，过滤 过滤阻力也会增大。如何进一步降低纤维直径，调
效率仅为 19.5%，过滤阻力为 25.1 Pa。当纺丝时间 控纤维堆叠结构，制备出纤维直径小、孔隙率高且
为 3 h，复合纳米纤维膜的过滤效率提升到 99.5%， 堆叠蓬松的高效低阻滤膜是目前的研究重点。
过滤阻力为 144 Pa。在基布表面复合了纳米纤维后， 1.3 多级结构纳米纤维膜
透气性下降，但随着纺丝时间的增加，复合纳米纤维 现有的纳米纤维过滤材料通常采用单一的纤维
膜的过滤效率显著增加。结果表明，低效过滤材料和 直径，然而单一的纳米纤维存在一些缺点：纤维直
纳米纤维复合后，其过滤效率能够提升到高效的水平。 径的限制导致其过滤效率不足 [33] ；圆形横截面、光
然而单层复合结构中基布机械强度远大于纳米 滑的表面和高填充密度会导致低气流渗透和高能
纤维膜，导致复合后的过滤材料在受到外力拉伸及 耗。通过改变聚合物种类或者在聚合物溶液中添加
摩擦作用时，纳米纤维极易磨损或脱落。后来又出 不同的纳米颗粒，可以调节纳米纤维的填充密度，
现了纳米纤维夹层的复合结构形式，即将纳米纤维 增大纤维的比表面积和孔隙率 [34-35] ，使固体颗粒物与
层夹于两块基布之间，这样就可对纳米纤维层起到 纤维发生碰撞或黏附的概率增大，从而可以制备出具
保护作用，使其免受表面的摩擦，从而提高使用寿 有特殊结构的高效低阻滤膜，相关研究成果见表 1。

表 1 高效低阻滤膜的研究总结
Table 1 Summary of research on high efficiency and low resistance filter membranes
溶剂 聚合物 过滤效率/% 过滤阻力/Pa 纤维特点 参考文献
N,N-二甲基甲酰胺（DMF）/甲酸 PAN/PA6 99.99 117.5 串珠结构 [36]
（HCOOH）混合溶液
DMF PAN 99.99 126.7 微球结构 [37]
DMF/二氯甲烷（DCM）混合溶液 聚乳酸（PLA） 99.99 165.3 串珠结构 [38]
N,N-二甲基乙酰胺（DMAc） 聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）/LiCl/十 99.99 92.0 蛛网结构 [39]
二烷基三甲基溴化铵（DTAB）
HCOOH 聚酰胺-66（PA-66）/BaCl 2 99.99 — 蛛网结构 [40]
DMF PAN 99.99 35.0 微纤维结构 [41]
DMF/DCM 混合溶液 左旋聚乳酸（PLLA） 99.99 110.0 多孔结构 [42]
DMF/N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP） 纳米 TiO 2 99.99 45.3 不规则粗糙结构 [43]
混合溶液
HCOOH 生物基聚酰胺 56（PA-56） 99.99 111.0 蛛网结构 [44]
注：“—”为未测。