聚乳酸静电纺丝改善口罩性能的试验研究
作者：标准集团 添加时间：2020-04-08
近年来，由于雾霾天气的频发，人们对环境中的可吸入颗粒物的防护意识逐渐增强，防护口罩的使用受到高度重视，尤其对于在一些特殊环境中工作的人员，佩戴防护口罩成了保护工人健康的最后一道防线。
KN90、KN95自吸过滤式防颗粒物口罩是目前销售最广的个体防护用品，其核心过滤材料为驻极体熔喷非织造布，纤维直径在微米级[3-4]。以上2种口罩对中位径为0.3 μm颗粒的过滤效率分别在90%、95%之上，其效率满足《呼吸防护用品自吸过滤式防颗粒物呼吸器》(GB 2626—2006)[5]的要求。研究表明，纤维材料的直径越细，其过滤效率就越高[6-7]。静电纺丝作为一种制备超细纤维的技术[8]，在优化纤维材料的过滤性能方面前景广阔。
静电纺丝试验中通常采用平板型电极作为接收基板以获得表面结构均一的纤维膜。此方法得到的纳米膜的效率与阻力难以兼顾，为获得较高效率的纳米膜，而阻力较高；当为取得较低阻力即较好的呼吸性时，效率又不尽人意。
为获得高效低阻且适合应用在口罩过滤领域的纳米膜，本试验以聚乳酸树脂颗粒作为纺丝原料，通过改进接收基板，制备出结构不均匀的滤膜，以期实现效率与阻力的兼顾。用此方法研发制备了具有不同克重的纳米膜，并将所制备的纳米膜应用在KN90、KN95口罩上，研究覆有不同克重该膜口罩的过滤性能的变化。综合考虑国标、人员佩戴舒适性、口罩过滤材料质量因子这些因素寻求最佳克重的纳米膜来改善口罩性能。
1 试验方案
1.1 试验材料以及纺丝溶液的制备
试验材料为聚乳酸树脂颗粒(进口，其重均相对分子质量为1×105)、CH2Cl2(国产，分析纯)、C3H7NO(国产，分析纯)。
纺丝液的制备：称量一定量的聚乳酸树脂颗粒与质量比为9∶1的二氯甲烷与二甲基甲酰胺混合溶剂后，在室温下(20 ℃)搅拌6 h后，静置8 h待用。
1.2 结构不均匀的纳米膜制备
本试验所用的静电溶液纺丝设备为DXES-01型全自动纺丝机。其结构原理简图如图1所示。
本试验为获得高效低阻且工艺上能够被完整地收集利用的纳米膜，基于结构决定性质的思路，开创性地把网状电极缠绕在滚筒上作为接收基板，因网状接收电极上不同部位导电性能有差异，所以在滚筒与针头之间的纤维走向具有选择性，从而制备出结构不均匀的纳米膜，达到降低纳米膜阻力的目的。当用网状电极作为接收基板时，试验中以纺丝时间为变量，分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 h，制备克重分别为0.56，1.00，1.60，2.20，2.90 g/m2的纳米膜。
通过大量预试验确立本次试验的电压为21 kV、纺丝液质量分数10%(所用溶剂CH2Cl2与C3H7NO的质量比为9∶1)、喷丝头直径0.6 mm、溶液推进速率1 mL/h、纺丝所处环境的温度为(15±3)℃、相对湿度RH为(20±5)%。
1.3 纳米膜的性能检测
使用DinoCapture系统显微镜观测在不同纺丝时间下所得到的纳米膜的形态结构；使用Ultra Plus型场发射分析扫描电镜观测纳米膜的纤维形貌并用Image-J软件随机选取100根纤维进行直径分析；使用随机打点的方法应用Ultra Plus型场发射分析扫描电镜对纺制纳米膜进行EDS分析；使用XG-CAME静态接触角分析仪应用五点分析法测试纳米膜的水接触角。
对于在不同纺丝时间下纺制的纳米膜分别紧密地覆在KN90、KN95口罩上，用美国TSI8130自动滤料试验设备检测覆膜及未覆膜口罩的效率及过滤静压差。TSI8130测试时，试验气溶胶为质量中位径为0.26 μm的NaCl颗粒，几何标准偏差小于1.83。
2 所制备的纳米膜的形态结构及纤维直径分析
当用网状电极作为接收装置，不同纺丝时间下得到的纳米膜的结构形态如图2所示。
从高倍显微镜下拍摄的聚乳酸薄膜形成过程的图片可知，在开始阶段，网状电极上孔隙部分纤维较少，纤维主要沉积在网丝上，导致聚乳酸薄膜克重分布不均匀，即网丝上纤维克重大，呈现一种囊状结构，孔隙部分克重小呈现一种迷宫式网状结构。出现这种结构不均匀的主要原因是不锈钢网丝导电性较好，局部场强较强，而孔隙部分导电性较弱。之后，随着纺丝时间的增加，不锈钢滤网上纳米膜的厚度逐渐增加，接收表面的导电性差异愈加不明显，导致纳米膜结构的不均匀性逐渐不明显。
本试验因纺丝过程中各参数控制较为稳定，所纺制的纳米纤维无明显黏连或出现串珠的情况，所得纳米纤维直径较为均一，分布在100～400 nm之间；纤维最粗为888 nm，最细为111 nm，平均直径大小为335 nm。
聚乳酸纤维的形态及直径分析如图3、图4。
3 结构不均匀纳米膜的实际应用性能分析
3.1 纳米膜EDS分析
因纺丝采用的溶剂CH2CL2与C3H7NO均为有机溶剂，若纳米膜上有残留上述物质，佩戴覆有此纳米膜的口罩可能会对使用者的健康造成影响。因此有必要对纳米膜进行成分分析。EDS分析图谱如图5所示。
从峰谱图可以看出，谱图总共3个峰，分别代表碳、氧、金(未标出)，其中含有金是因为样品做分析前需要表面喷金处理。谱图上显示没有氯与氮元素，说明纺丝液中的CH2Cl2与C3H7NO挥发完全无残留，因此本实验制备的纳米膜对人体无害。
3.2 纳米膜疏水性能
佩戴口罩时，尤其在寒冷的冬天，由于循环的吸气与呼气会产生水珠，其会影响口罩的过滤性能与对口罩舒适性性的要求，所以优良口罩材料应满足较好的疏水性能。聚乳酸因本身含有大量的疏水性基团(侧甲基)而缺少亲水性基团，故其表现出较好的疏水性。对所制备的聚乳酸纳米膜多次测量其水接触角，其接触角平均角度为132.97°，表现出非常好的疏水性能。PLA膜的接触角实验拍摄图片如图6所示。
3.3 覆膜口罩的过滤性能
对市场上所购买的KN90、KN95两种口罩覆上不同纺丝时间下的纳米膜；并用TSI8130测试覆有纳米膜口罩与未覆有纳米膜口罩的的效率与阻力，并计算其品质因数。品质因数Q定义为
从图7、图8可以看出：KN90，KN95口罩覆膜前其阻力分别为100.29 Pa，159.25 Pa,效率分别为93.61%，96.74%；而当覆上克重为0.56 g/m2的纳米膜后其效率分别增加为97.64%，99.07%，阻力分别增加为113.03 Pa，164.15 Pa；品质因数分别从0.0274，0.0215增至0.0331，0.0285；效率表现为显着地增加而阻力增加值很小，体现出该纳米膜高效低阻的特性。随着纺丝时间的增加，所纺制的纳米膜覆在口罩后，出现效率增幅逐渐减小、阻力增幅逐渐增大的趋势，这与前面所述纳米膜横向结构不均匀性随着纺丝时间的增加而逐渐不明显相吻合。综合考虑国标要求、佩戴口罩舒适性、品质因数以及时间经济等因素，对于本试验所研究的KN90，KN95口罩，当纺制聚乳酸纳米膜的克重分别为1，0.56 g/m2时，覆膜前后效率分别从93.61%，96.74%增至98.83%，99.07%；而阻力增幅较小；品质因数分别从0.0274，0.0215增至0.033，0.0285；极大程度地改善了原有口罩的过滤性能。
4 结语
(1)用网状电极作为接收装置时，所纺制的纳米膜有着克重横向不均匀的特征，随着纺丝时间的延长，这种不均匀特征逐渐不明显。
(2)通过聚乳酸溶液的静电溶液纺丝法所研制的结构不均匀的纤维膜，其单根纤维的平均直径为335 nm，纤维直径大小主要在100至400 nm之间。另外该纳米膜有着非常好的拒水性能，水接触角为132.97°；纳米膜上无残留对人体有害的物质，可以安全应用在口罩上。
(3)当分别把纺制克重为1.0 g/m2和0.56 g/m2的纳米膜覆在KN90，KN95口罩上时，口罩过滤材料的品质因数得以增加，口罩过滤性能得到改善，体现出该纳米膜高效低阻的优势。
