SiO_%282%29-Ag气凝胶PLA复合熔喷非织造材料的制备及其空气过滤性能.pdf

第 卷 第 期 年 月现代纺织技术 .:.气凝胶 复合熔喷非织造材料的制备及其空气过滤性能崔小港丰江丽刘 鹏杨潇东朱斐超于 斌孙 辉(.浙江理工大学纺织科学与工程学院杭州 .浙江省现代纺织技术创新中心浙江绍兴)摘 要:为提升聚乳酸()熔喷非织造材料的空气过滤性能通过溶胶凝胶法制备出掺杂 的 气凝胶()并采用熔融共混法获得不同比例的 共混材料经熔喷加工制备出 复合熔喷非织造材料 通过对复合熔喷材料的表面形貌、结构、空气过滤和力学性能进行表征结果表明:能够均匀分布于 基体中随着 含量的增加复合熔喷材料的平均纤维直径和孔径略有增大过滤效率与拉伸强度先增加后减小过滤阻力下降透气率和品质因子提高 当 质量分数为 时 复合熔喷材料的综合性能最佳关键词:聚乳酸掺杂银二氧化硅气凝胶生物可降解复合熔喷材料空气过滤中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:网络出版日期:基金项目:国家自然科学基金项目()浙江省自然科学基金项目()作者简介:崔小港()男河南滑县人硕士研究生主要从事熔喷非织造材料功能改性方面的研究通信作者:孙辉:.工业的快速发展造成了空气污染严重危害人类呼吸健康 根据世界卫生组织数据显示全球约的人受空气污染的影响仅空气污染每年造成 多万人死亡 使用空气过滤材料是改善空气质量的有效方法其中熔喷非织造材料由于具有比表面积大、透气性可调、硬度适中、生产效率高等特点是目前主要的产业用空气过滤材料 还被广泛用于油水分离、防护服、重金属吸附、隔音材料、吸油材料等领域 然而目前空气过滤用熔喷非织造材料所用生产原料大多是不可再生的石油基高分子材料聚丙烯且使用后不可降解给资源和环境带来极大的负担聚乳酸()是一种生物可降解的热塑性脂肪族聚酯具有良好的可加工性和力学性能 现今 熔喷非织造材料已经实现了产业化加工 然而仅以 为原料制备出的熔喷非织造材料性能单一空气过滤性能也相对较差 目前改善空气过滤用熔喷非织造材料性能的研究主要集中在减小纤维直径、驻极处理和功能改性这三方面 减小过滤材料的纤维直径可以提升过滤效率但需要耗费大量研发生产成本降低工作效率 驻极处理可以在不增加过滤阻力的情况下大幅提高材料空气过滤效率但是过滤材料会因环境温湿度的变化和使用时间的延长而逐渐导致过滤效率下降 共混改性作为一种简单、有效的改性方法可以让一种材料兼备多种功能 二氧化硅()气凝胶具有孔隙率高、比表面积大、密度低以及孔径可调等优点被广泛应用于吸附领域、过滤领域和催化剂载体 目前对 气凝胶的改性研究主要有通过有机无机杂化来提升其机械性能以及通过在前驱体中引入铝、镐等金属元素掺杂改性来提升其耐高温性能本文以正硅酸乙酯()为硅源甲基三乙氧基硅烷()为疏水改性剂硝酸银()为 粒子源通过溶胶凝胶法经原位掺杂制备出然后采用熔融共混法制备了不同质量比的 共混材料最后进一步加工为 复合熔喷非织造材料并对其表面形貌、组成、结构、过滤性能和力学性能等进行研究 期望本文的研究能够为 基熔喷空气过滤材料的功能改性提供新思路 实 验.实验材料和仪器实验材料:(熔喷级美国)正硅酸乙酯(上海麦克林生化科技有限公司)甲基三乙氧基硅烷(上海麦克林生化科技有限公司)正己烷(分析纯浙江腾宇新材料科技有限公司)氨水(分析纯杭州高晶精细化工有限公司)硝酸(分析纯上海凌峰化学试剂有限公司)硝酸银(分析纯常州市国宇环保科技有限公司)实验仪器:高速混合机(苏州生光塑料机械有限公司)同向双螺杆挤出机(南京瑞亚挤出机械制造有限公司)切粒机(华冠捏合机制造有限公司)微型熔喷机(嘉兴隆曼测控技术有限公司)热场发射扫描电子显微镜(德国 公司)傅里叶红外光谱仪(美国 公司)射线衍射仪(德国 公司)孔径仪(德 国 公 司)透 气 性 测 试 仪(温州方圆仪器有限公司)滤料试验台(苏州苏信净化设备公司)万能试验机(美国 公司).材料的制备.的制备将、无水乙醇、去离子水按 (摩尔比)置于烧杯中搅拌均匀硝酸调节 使溶液在 水 浴 条 件 下 水 解 逐 滴 加 入溶液(与 摩尔比为 )继续避光反应 得到 溶胶再加入氨水碱化后的乙醇溶液搅拌均匀溶胶开始凝固 进一步对 水凝胶依次进行静置、老化、置换、疏水改性、洗涤、条件下常压干燥最后利用纳米研磨机研磨至纳米颗粒在 保温热处理 升温速率为 得到 粉末具体制备流程见图 图 的制备流程.复合熔喷材料的制备按照表 中的质量配比将 和 在 条件下干燥 并在高速混合机中混合均匀然后经双螺杆挤出机熔融共混、切粒后进入熔喷设备在料桶压力下从喷丝孔挤出受喷丝孔周围高温、高速热风牵伸共混材料被拉伸成纤维后均匀收集在下方的接收辊表面最后纤维间依靠余热相互粘结形成 复合熔喷非织造材料 复合熔喷材料的具体加工流程见图 现代纺织技术第 卷表 复合熔喷材料的质量配比.编号试样纯()()().测试与表征.测试采用扫描电子显微镜观察镀金后的、纯 及 复合熔喷材料的表面形貌.测试采用 射线能谱仪对、纯 及 复合熔喷材料进行元素分析观察、纯 及 复合熔喷材料的元素组成图 纯 及 复合熔喷材料的加工流程.测试采用傅里叶红外光谱仪对、纯 及 复合熔喷材料的化学结构进行表征扫描范围 扫描次数 次.测试采用 射线衍射仪对 晶形结构进行测试分析样品扫描范围 扫描速率().平均孔径测试采用冒泡法使用孔径仪对纯 及 复合熔喷材料平均孔径进行测试每个试样测试 次取平均值.过滤性能测试根据 呼吸防护自吸过滤式防颗粒物呼吸器采用滤料试验台对纯 及 复合熔喷材料过滤性能进行测试试样直径:气溶胶粒子直径:.空气流速:每个试样检测五次取平均值 根据 纺织品织物透气性的测定采用透气性测试仪对纯 及 复合熔喷材料的透气性能进行测试试样面积:试样压差:每个试样检测五次取平均值.力学性能测试根据 .非织造布实验方法采用万能试验机在室温和常压下对纯 及 复合熔喷材料的力学性能进行测试沿样品纵向剪取大小为 设定拉伸试验仪的名义夹持距离为 拉伸速度为 每个试样重复测试 次记录拉伸曲线 结果与讨论.的一般特性分析图 分别是 的、和 谱图 从图()中可以看出 是由纳米胶体粒子相互堆积形成的三维多孔网络结构 从图()中可以看到 中除了含有、这 种元素还含有 元素可见 纳米粒子成功掺杂到气凝胶中 在图()中 和 处的峰分别代表 键的对称伸缩振动和不第 期崔小港 等:气凝胶 复合熔喷非织造材料的制备及其空气过滤性能对称伸缩振动证实了 的 框架结构 在大约 处的峰对应 键 处的峰代表基团的反对称伸缩振动表明气凝胶骨架中含有甲基基团疏水改性有一定成效 在 和 处的吸收峰代表 基团的弯曲振动和反对称伸缩振动这是空气中的水分影响造成 从图 ()中发现在 范围内出现一个弥散的宽衍射峰在.、.、.、.处出现多个尖衍射峰分别对应()、()、()、()晶面的面心立方结构的 与标准卡片()相一致这一结果也表明 纳米粒子成功掺杂在 气凝胶基质中 由以上结果可以得出 被成功合成 图 的()、()、()和()谱图.()()()().分析图()()是纯 及 复合熔喷材料的 图 从图()中可以看出纯 熔喷材料纤维表面较为光滑 在图()()中随着 含量的增加纤维表面的 逐渐增多使得纤维表面粗糙程度逐渐增加 整体来看 复合熔喷材料表面颗粒分布比较均匀且纤维直径分布都比较集中说明 中混入 后仍保持了较好的可纺性图()()是纯 及 复合熔喷材料的纤维直径分布图 从图()中可以看出纯 熔喷材料纤维直径主要分布于.平均直径约为.在图()()中随着 含量的增加复合熔喷材料的纤维直径分布区间和平均直径逐渐增加这主要是因为存在于 纤维内部或纤维表面的 逐渐增多使得纤维平均直径逐渐变大现代纺织技术第 卷图 纯 及 复合熔喷材料 和纤维直径分布.第 期崔小港 等:气凝胶 复合熔喷非织造材料的制备及其空气过滤性能.分析表 是纯 及 复合熔喷材料元素含量表 纯 熔喷材料只包含、随着 的加入复合熔喷材料中开始出现 和并随着 比例的增加而增大说明 成功混入 基体中表 纯 及 复合熔喷材料元素含量.试样.分析图 是纯 及 复合熔喷材料的 谱图 在纯 的 谱图中 处是 的面外弯曲振动峰 处是 的伸缩振动峰、以及 处是 的伸缩振动峰 和 处是的弯曲振动峰 处是 的伸缩振动峰 处是的伸缩振动峰 加入 后 复合熔喷材料的以上 特征峰基本不变这表明 与 基体之间无明显化学作用图 纯 及 复合熔喷材料的 谱图.平均孔径分析图 是纯 及 复合熔喷材料的平均孔径曲线 纯 熔喷材料的孔径主要分布在 平均孔径约为.随着 比例的增加复合熔喷材料的孔径分布和平均孔径不断增大当 比例为 时复合熔喷材料孔径分布主要集中在 平均孔径约为.这是因为纤维平均直径增大导致纤维间平均孔径增大图 纯 及 复合熔喷材料的平均孔径.过滤性能分析图 是纯 及 复合熔喷材料的过滤效率、过滤阻力和透气率曲线图 从图 中可以看到加入 后 复合熔喷材料的过滤效率均高于纯 熔喷材料 这是因为加入 后纤维表面存在许多 颗粒并且由于 多孔的结构特性使得纤维比表面积增大 当 加入的质量分数为 和 时复合熔喷材料的空气过滤效率不断增加(时较纯 熔喷材料增长了.)而 加入的质量分数达到 时由于复合熔喷材料的平均纤维直径增大且纤维间平均孔径也增加导致过滤效率开始有所下降 从图 中还可以看到随着 含量的增加复合熔喷材料的过滤阻力下降而透气率明显升高这是由于 加入后复合熔喷材料的纤维间平均孔径不断增大从图 中可以看出过滤效率同过滤阻力产生矛盾过滤效率较高时过滤阻力也会较高单独用其中一种指标来评价过滤材料性能会失之偏颇所以用品质因子作为评价过滤材料过滤性能的综合指标 具体计算如式():()()现代纺织技术第 卷式中:品质因子 过滤效率 过滤阻力图 是纯 及 复合熔喷材料的品质因子曲线图 纯 熔喷材料的品质因子是.随着 含量的增加复合熔喷材料的品质因子不断增大当 质量分数为 时复合熔喷材料的品质因子达到.这是因为 的加入使得材料的比表面积增大使得过滤效率相较于过滤阻力提升的幅度更大因而 复合熔喷材料品质因子不断提升图 纯 及 复合熔喷材料的空气过滤性能曲线.图 纯 及 复合熔喷材料的品质因子曲线.力学性能分析图 是纯 及 复合熔喷材料的应力应变曲线图其对应的相关性能参数如表 所示 从表 中可以看出纯 熔喷材料的拉伸强度为.断裂伸长率为.随着 含量的增加 复合熔喷材料的拉伸强度增加当 质量分数为 时达到最大为.相较于纯 熔喷材料的拉伸强度增加了.而随后其值开始下降 这是因为 作为无机填料对材料有一定的增强作用但含量过多时 在基体内会出现部分团聚不利于材料拉伸强度的提高 另一方面相对于纯 熔喷材料复合熔喷材料的断裂伸长率随着 的加入略有下降图 纯 及 复合熔喷材料的应力应变曲线.表 纯 及 复合熔喷材料的力学性能参数.试样拉伸强度 断裂伸长率.结 论本文通过溶胶凝胶法制备了 然后与 按不同质量比熔融共混加工成 复合熔喷材料通过对其结构与性能进行表征与分析得出以下结论:)合成的 呈现出由纳米粒子相互堆积形成的三维多孔网络结构其 谱图中出现了面心立方结构的 的衍射峰 谱图证实了合成的 具有 框架结构同时疏水改性有一定成效第 期崔小港 等:气凝胶 复合熔喷非织造材料的制备及其空气过滤性能)均匀分布于 纤维基体中随着 含量的增加纤维表面逐渐粗糙平均纤维直径和孔径略有增大与纯 熔喷材料相比复合熔喷材料中出现了 与 并且随 含量的增加而增加 此外加入 后 复合熔喷材料的化学结构未发生明显变化)随着 含量的增加 复合熔喷材料的过滤效率和拉伸强度均先增加后减小而过滤阻力下降透气量和品质因子上升 当 质量分数为 时其过滤效率和拉伸强度达到最大相较于纯 熔喷材料分别增长了.和.参考文献:.:.():.():.:.朱斐超张宇静张强等.聚乳酸基生物可降解熔喷非织造材料的研究进展与展望.纺织学报():.():.():.:.赵家明孙辉于斌等.聚丙烯乙烯辛烯共聚物复合熔喷非织造材料的制备及其吸油性能.纺织学报():.():.:.韩明超.驻极熔喷非织造复合材料的制备及其过滤和抗菌性能的研究.青岛:青岛大学:.:.():.卫智毅王慧余天培等.二氧化硅基纳米纤维气凝胶的研究进展.现代纺织技术():.():.():.:.孙晔赵淑红李振声等.二氧化硅气凝胶复合改性熔喷聚丙烯杀菌防护材料的制备及其过滤效果的性能研究.天津科技():.():.:.:.:.:.现代纺织技术第 卷 :.:.():.().:.(.):.:第 期崔小港 等:气凝胶 复合熔喷非织造材料的制备及其空气过滤性能