静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用

静电纺丝纳米纤维在过滤材料中的应用

戚妙北京永康乐业科技发展有限公司

１．静电纺过滤材料简述

一般说来，人们对于过滤材料原材料的甄选基本会在以下几种材料中进行：天然纤维、合成纤维、玻璃纤维、陶瓷、矿物等等[1-2]。按照不同的加工工艺这些过滤材料可分为以下几类[3]：①机织物、针织物、编织网和纤维束等；②纺粘和熔喷无纺布；③多孔陶瓷材料；④有机膜和无机膜材料；

⑤静电纺丝材料。

传统纤维过滤材料是直通的孔隙，其孔隙率也只有30%～40%[4]。从生产工艺流程角度审视，传统纤维织造过滤材料流程长，产品的生产效率低，主要通过经纬纱之间的孔隙进行过滤，滤料本身产生的阻力也比较大；且织造成型的过滤材料必须在其形成粉尘层之后，才能起到阻挡较小颗粒状物质的作用，如果过滤材料还没有形成粉尘层、过滤层清灰或者其它原因破坏了滤料的粉尘层时，就会导致传统纤维滤料的过滤效率大幅下降。

在过滤材料上运用静电纺丝技术有非常多的优点，现将其归纳成以下几个方面[5-9]。

（1）纤维直径小，均一性好。提高纤维滤材过滤性能的有效方法之一就是降低其纤维的直径，因为对于由直径数十微米的纤维制备出的纤维过滤器，随着纤维直径的降低滤材的过滤效率会得到提高。

（2）小孔径、高孔隙率及高通量。运用静电纺丝技术的纤维孔隙率可达80%～90%，这种结构的滤材在有效地去除亚微米级别以及微米级别的颗粒的同时，对水流只会产生较小的阻碍比。

（3）大比表面积、强吸附力。静电纺纤维有非常大的比表面积，这种结构大大地增加了颗粒沉积在纤维滤材表面的几率，这会对过滤的效果产生巨大的改观。其次，当过滤的颗粒非常小时，这些细小的颗粒会堆积在膜表面，产生所谓的“层效应”，也会使得静电纺丝薄膜的有效孔径尺寸显著下降。

（4）可再生性、节约环保。在实际的过滤过程中，大部分的杂质会留在静电纺丝薄膜的表面，只有其他很少的一部分颗粒会在静电纺薄膜内部和底部沉积，这就决定了该过滤材料方便清洁的特性，它的可持续再生的吸附功能有利于环保要求并会降低成本。

（5）低成本、种类多及工艺可控。静电纺丝已经是高效制备纳米级纤维材料的主要途径之一，它的优点甚多，可纺物质种类涵盖广、生产制造的装置简单、纺丝成本低廉、纺丝工艺可控等等。静电纺丝技术已经成功制备出多种纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。

目前应用静电纺丝技术的纳米纤维过滤材料已经可以应用于诸多高要求的过滤领域，其对直径在0.3um以下的颗粒，过滤效率可达到99.97%以上，也由于它出色的过滤精度，该材料具备了广泛应用于电子、生物、医药和防护等领域的前景[10]。

2.静电纺丝在过滤材料的应用

根据不同的应用领域可将对于静电纺丝过滤材料的研究分为以下三个方面：

2.1气体过滤

起源于气体过滤领域人们对静电纺纳米材料应用于过滤领域的研究才开始逐渐深入。众多学者对静电纺过滤材料的过滤效率、过滤阻力和压降等一系列的指标进行了定量的研究[11-13]，由于物理机械性能难以承受气流的冲击，基本与熔喷材料复合，对于静电纺的应用研究主要针对与其熔喷的复合材料。

Kitai等[14]静电纺丝PAN纤维，使用传统熔喷材料作为接收材料，制作出复合型的过滤材料。通过大量的测试表明，随着静电纺薄膜厚度的增大，材料的过滤效率提高，过滤阻力增大，对于优化过滤介质的过滤性能可以通过控制纳米层的厚度来达到。

AHn[15]等电纺制得PA6纳米纤维，文章讨论了纺丝溶液浓度同纺丝纤维直径的关系，将溶液浓度从15％提升到24％，制得的纤维直径可以从80nm提高到200nm。文章还对比了尼龙6纳米纤维毡同高效空气粒子过滤器（风速5cm/s，0.3um的测试颗粒）的过滤效率，纳米纤维毡的过滤效率可以达到99.93%，这一数值要比高效空气粒子过滤器高很多。

Park[16]比较了传统的玻璃纤维高效空气过滤器和静电纺尼龙6纤维毡的过滤性能，静电纺纤维毡的过滤效率比玻璃纤维过滤介质要高（风速3m/min，0.3um的测试颗粒），而实际上其纳米纤维毡的面密度只有16.48g/m2，远远小于玻璃纤维过滤器的81.46g/m2，在相同的风速条件下，静电纺纤维毡的压力降只有13.27mm水银柱，也要小于玻璃纤维37.05mm水银柱的压力降。

李从举[17]等采用静电纺丝技术，制备了聚醚砜(PES)纤维膜，为降低过滤压降，在纤维中加入微球，研究了纤维与微球复合方式对过滤性能的影响。复合纤维膜是以聚丙烯(PP)无纺布为支撑层，实验结果表明，PES浓度为280g/L时，所得纤维粗细均匀，平均直径为510nm；PES浓度为200g/L时，得到PES微球结构，微球直径2.74um。同时发现在纤维间引入适量微球，则会降低过滤压降，而纤维膜过滤效率不受影响，若微球量过多，压降则会增加。

2.2液体过滤

静电纺丝膜液体过滤可以应用于诸多领域,

∙饮用水

纳米纤维过滤膜有望成为集中人群地点制造饮用水材料。通过经纳米过滤和超滤的方式预处理的纳米过滤和逆向渗透方式，将收取的海水脱盐。饮用水同时也可以使用不卫生、不安全、能源成本低廉的地表水源以及纳米细胞膜的帮助下制得。Bjorge等[18]以聚酰胺为原材料使用静电纺丝工艺制备得到了直径为50～100nm、厚度为120um、平均孔径为0.4um的多孔纳米纤维膜滤材，并将该材料作为微滤膜应用在水过滤过程里。经实验测试，该多孔纳米纤维膜材料对于水中的固态悬浮颗粒的去除率可达到100%，减少其中50%的化学需氧量（COD）。

Ma等[20]通过静电纺丝技术以及表面改性技术，制得出新型的聚砜（PSU）超细纤维薄膜（直径1~2um），并将其用于吸附有机染料和蛋白质。首先将静电纺丝得到的PSU薄膜在188℃的高温下进行热处理，这一过程可显著的提高该种材料的力学强度。随后对其进行空气等离子处理，将聚甲基丙烯酸（PMAA）在Ce4+作用下接枝在PSU薄膜上，从而制得PMAA修饰的PSU纳米纤维材料，使得纤维材料表面带有大量羧基。试验结果表明，这种亲水性纤维薄膜要比传统的微滤膜具有更小的压降及更高的通量。这种PSU薄膜可以说是一种非常具有潜力的亲和性纳米纤维薄膜，可将这种材料应用于处理含有有机染料和蛋白质等污染物的水质过滤领域。

∙生物制药过程

生物制药过程在制造药物时，有效利用纳米纤维膜从技术层面上处理在这个过程中产生的水份。这样很好地节约了饮用水的转变处理过程的成本。该过滤思路（尤其是纳米过滤）可用于过滤血液、尿液或者制药的流程里（如生产软化水）。

∙过滤饮料