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1、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静电纺过滤材料简述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：机织物、针织物、编织网和纤维束等；纺粘和熔喷无纺布；多孔陶瓷材料；有机膜和无机膜材料；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
2、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
3、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
4、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。2.2.静电纺丝在过滤材料的应用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气体过滤气体过滤起源于气体过滤领域人们对静电纺纳米材料
5、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。AHn15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
6、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。Park16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
7、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 280 g/L 时，所得纤维粗细均匀，平均直径为 510 nm；PES 浓度为200 g/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
8、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 50100nm、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 12um），
9、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
10、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）。 过滤饮料纳米纤维膜同样适用于过滤饮料，诸如沸水、啤酒、葡萄酒和蔬果汁等饮料，该材料尤其可应用于过滤和浓缩牛奶。 同时， 这种纤维膜材料对于饮料中存在的减少寿命和对健康产生负面影响的有害微生物的去除作用明显。该过程同时还可以去除改变液体外观（颜色、有机或无机混合物）或味道（金属、不需要的芳香剂）的物质。Beatriz Veleirinho 等21进行了 PET 静电纺膜用于果汁过滤方面应用的大量研究。经实验表明静电纺膜的过滤效率高，过滤后的果
11、汁口感更佳，同时其中的营养成分并不流失。 同时用该种方式过滤的过滤流量也大大高于超滤膜， 从而缩短了过滤所需时间，意义巨大。2.3 其他过滤其他过滤1.金属离子的吸附分离Parvin 等22以聚丙烯腈为原材料进行了静电纺丝，制得直径在 100205nm 之间的纳米纤维膜，在对其膜表面进行胺基化处理之后，研究材料对 Cu2+的吸附情况。通过测试发现，纳米纤维膜的表面粗糙程度对铜离子的吸附起很大的影响， 表面粗糙度越大， 纤维直径越细对 Cu2+在纤维表面的吸附过程就越有利，该过程中，纳米纤维膜对 Cu2+的吸附容量可达 102mg/g，微米级纤维膜的吸附容量则要小很多，仅为 22.8mg/g。T
12、eng 等23应用溶胶-凝胶法同静电纺丝工艺相结合，制得直径在 200300nm 之间的硫醚改性聚乙烯吡咯烷酮二氧化硅纳米纤维膜，并分别研究了该材料对 Hg+、Cu2+、Cr3+、Zn2+和 Pb2+的选择吸附特性。实验表明，纳米纤维膜对 Hg+具有很高的选择性吸附能力，在 30 分钟内能达到吸附平衡，对 Hg+的吸附容量可达到 4.26mmol/g，经过 3 次脱附吸附循环后，膜的吸附率为89.52， 吸附量降为 1.15mmol/g， 该材料纤维膜对 Hg+的高选择吸附性可能与其 S 和 Hg+间形成具有立构规整的化学键合有关。2.抗菌过滤Desai 等24采用静电纺丝工艺制得壳聚糖聚氧化
13、乙烯复合纳米纤维膜材料，其纤维直径在88132nm 之间。通过实验研究了该材料在水过滤及空气过滤领域中的抗菌性能，如图 1 所示。研究表明，壳聚糖聚氧化乙烯复合纳米纤维膜具有很好的抗菌性能，接触时间达到 6h 后，复合纳米纤维膜表面的大肠杆菌数量下降了 23 个数量级。图 1 壳聚糖聚氧化乙烯复合纳米纤维膜过滤前后Tan 等25在尼龙 6 纺丝液中加入二甲基乙内酰脲衍生物， 通过静电纺丝方法制成纳米纤维膜，直径为 100500nm，实验研究了该材料在空气过滤中的抗菌性能。将革兰氏阴性和阳性菌引入纳米纤维膜材料之后，接触 40min 研究发现两种细菌被全部杀死，而随着二甲基乙内酰胺衍生物的含量的
14、增加， 纤维膜的抗菌效果也在不断提升， 材料本身的力学性质和过滤效率却基本不受影响。3.高温过滤Huang 等26以聚酰亚胺为原料，应用静电纺丝技术制得了取向纳米纤维构成的非织造材料，经试验表明所得材料具有非常好的力学性质以及耐热性质，拉伸强度最高能达到 664MPa，拉伸模量最高可达 15.3GPa。这类经试验所得的非织造材料可广泛的适用于高温过滤材料。王兆礼等27以溶液缩聚的方式制备得到聚酰胺酸溶液并作为纺丝液， 随后采用静电纺丝技术纺得聚酰胺酸纳米纤维非织造材料， 然后通过热亚胺化制得聚酰亚胺纳米纤维的非织造材料。 通过实验对该材料的力学性能以及耐热性能进行分析比对， 实验表明纳米纤维非
15、织造材料的力学性能以及耐热性能会随纺液浓度提高而升高。 高的力学性能和耐热性能决定了这种纳米纤维非织造材料可以用于高温烟气的过滤，在发电厂、垃圾焚烧厂的尾气过滤材料等方面也同样适用。目前已经报道出多种体系的静电纺丝膜可作过滤材料( 如聚丙烯、聚丙烯腈、尼龙 6、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚己内酰胺和聚苯乙烯等)，随着科学家研究的深入， 静电纺丝领域将会引起人们更广泛的关注28。4 4静电纺丝过滤材料的产业信息静电纺丝过滤材料的产业信息社会生产的各个领域都已经应用了过滤材料，工业、农业、军事国防和特殊部门等, 过滤材料已经是现代工业中重要部分29。基于如今过滤材料的重要性，过滤材料的研发以及生产情况受
16、到了各个国家的重视， 其中以欧美为代表的发达国家， 过滤材料的工业化应用已经发展到了纳米量级上。目前，全球过滤材料的市场需求巨大，并且逐年提高，涉及到纳米纤维滤料业务的世界企业已经多达二十多家30，如表一所示。表一 全球从事纳米纤维滤料业务的企业序号企业所属国家网址1Donaldson Company Inc.美国2Espin Technologies Inc.美国3KX Industries美国4Ahlstrom Corporation芬兰5Hollingsworth Co. Ltd.美国www.hollingsworth-6US Global Nanospace美国7Finetex Technology韩国www.finetextech.co
