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静电纺PVB纳米纤维在防雾霾口罩中应用研究

作者:admin 来源:未知 日期:2020-05-29 10:40人气:
摘 要:随着工业化进程加快,我国很多地区都出现了较为严重的雾霾现象,防雾霾口罩性能的好坏影响着人们的健康。聚乙烯醇缩丁醛(PVB)具有优良的柔软性和绕曲性,且无毒无害,静电纺丝法制成的纳米纤维在浓度为7wt%时,具有优良的透气性,对0.3微米氯化钠气溶胶过滤效率可达97%,透气阻力仅为100帕,是优良的过滤材料。聚乙烯醇缩丁醛(PVB)浓度为7wt%的纳米纤维市场价格约为20元每平方米,有很大的价格优势。在未来几年,纳米纤维必将大规模应用于防雾霾口罩的制作。 
 
  关键词:防雾霾口罩;静电纺丝;纳米纤维;聚乙烯醇缩丁醛 
 
  1 概述 
  近年来城镇化速度加快,工业快速发展,全国多地区出现了不同程度的雾霾现象,雾霾对人体健康产生很大影响,人长时间处于雾天中,可引起气管炎、喉炎、肺炎、鼻炎、眼结膜炎及过敏性疾病的发生,抵抗力较差的糖尿病患者极有可能出现肺部及气管感染而加重病情。防雾霾口罩减轻了雾霾对人体的伤害,可以说防雾霾口罩的质量影响着人们的健康[1]。 
  目前市场上售卖的活性炭型、复合型和纳米型三种类型的防雾霾口罩,分别存在不同的问题。广泛使用的活性炭防雾霾口罩,利用活性炭发达的微孔结构对空气中的有毒颗粒和气体进行吸附,存在重复利用性差,透气性不佳的缺点;复合口罩的过滤材料是由两到三层密度不同的化学粘合无纺布和针刺无纺布共同组成,这种口罩的主要缺点是不环保且过滤性能差[2];市面上售卖的纳米纤维口罩也存在密闭性不佳和纤维不均等问题。 
  2 静电纺丝法的介绍 
  近年高速发展的纳米纤维材料具有透气性佳、柔韧性高、过滤效果好等优点,适合用于口罩的制作。静电纺丝法具有设备简单、工艺可控、适用范围广、成本低等多种优点,与其他几种制备纳米纤维的方法相比更适合工业生产[3]。静电纺丝装置如图1。 
  但需要我们关注的是静电纺丝纳米纤维材料也存在许多问题,比如材料的机械强度低、使用寿命短、纺丝过程中仍需要进一步提高稳定性。但相信随着科学技术的发展,静电纺丝纳米纤维材料将有更广阔的应用前景。 
  3 纳米纤维的制作 
  3.1 技术指标 
  使用ET-2535H型静电纺丝装置制备纳米纤维膜。先称取一定质量的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)粉末,然后缓缓加入无水乙醇配制成7%的纺丝液,并密封好;然后放在磁力搅拌器上充分搅拌,使粉末完全溶解,便制得所需PVB纺丝液。将溶液装入具不锈钢针头(20号)的注射器中,调节溶液推进速度为0.10mm/min,用导线将喷针与正高压电源相连,接收滚筒与负高压相连。调节正电压为7KV,负高压1KV,喷射距离10cm。液滴在静电力作用下在喷针形成Taylor锥形成射流和纤维。纺丝一段时间制得聚乙烯醇缩丁醛纤维膜。 
  超过100个不同的聚合物可以通过静电纺丝的方法制备成纳米纤维,不同聚合物其溶剂、可纺浓度、电压等都不同。考虑到聚乙烯醇缩丁醛(PVB)具有优良的柔软性和挠曲性,在常温下性能稳定,适用于口罩过滤材料的制作。 
  3.2 静电纺丝优点 
  与现有空气过滤材料相比,静电纺织纳米纤维[4]主要有以下几个特点: 
  (1)具有均匀的纤维直径分布,纤维直径分布不均会影响过滤效率,因而高效稳定的制备均匀分布的纳米纤维尤为重要。 
  扫描电镜观察聚乙烯醇缩丁醛纳米纤维形貌(如图2),纤维表面光滑,直径细且形态分布均匀。 
  (2)具有三维立体空间结构,纤膜孔径小,孔隙率高,因而透气性较好。 
  静电纺丝以其设备简单、工艺可控、适合范围广、成本低等多方面特点,成为制备聚合物纳米纤维的首选方法。 
  3.3 PVB纳米纤维过滤性能 
  实验测出喷有7wt%纳米纤维的无纺布的过滤效率和透气阻力。在空气流速为85L/min流速下,以0.3微米氯化钠气溶胶为例,过滤效率为97%,透气阻力为100Pa。按照国家标准GB2626-2006,口罩呼吸阻力不得大于350Pa,现有市场上口罩能达到N95、KN95标准的呼吸阻力基本大于200Pa呼吸阻力越低,呼吸越顺畅,佩戴越舒服。喷有PVB纳米纤维的无纺布作为口罩的核心过滤材料,拥有良好的透气性,过滤效果优良。 
  4 纳米纤维市场及应用前景 
  使用纳米纤维作为过滤材料的口罩,具有较低的孔径,极高的孔隙率等特点,因此在透气性能方面明显高于利用活性炭吸附过滤的防雾霾口罩,使用效果更好。同时,与其他生产纳米纤维的方法相比,成本低,纤维较均匀,因此,将在市场竞争上处于优势地位。静电纺纳米纤维法可以用于工业生产,生产出的纤维过滤性更好,适于制作口罩过滤材料。 
  5 结束语 
  本文针对目前市场上售卖的几种防雾霾口罩出现的透气性差、过滤性不佳等缺点,提出将静电纺丝法制备的纳米纤维作为口罩的核心过滤材料。以浓度为7wt%的PVB纳米纤维为例,经实验测试,其过滤性能优良,且在100摄氏度内具有良好的稳定性,适于口罩的过滤材料的制作。靜电纺丝法制备的纳米纤维较为均匀,价格低廉,在防雾霾口罩中有很大的应用前景。 
  参考文献 
  [1]Peter Tsai.口罩认知与SARS防护[J].产业用纺织品,2003,6:25-26. 
  [2]简小平.非织造布空气过滤材料过滤性能的研究[D].东华大学,2013. 
  [3]李雄.静电纺/驻极喷复合非织造材料工艺性能研究[D].东华大学,2011,7. 
  [4]刘学洋.PVDF/PSU复合抗菌纳米纤维空气过滤材料的制备及其在 
  口罩中的应用研究[D].东华大学,2016.

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