張美云 馬珊珊 楊斌 宋順喜?┞?lián)? 蘇治平

摘 要：以木漿為原料，分別采用不同磨漿轉(zhuǎn)數(shù)對木漿纖維進行原纖化處理，使其表面分絲帚化，再利用冷凍干燥技術(shù)保持纖維表面分絲狀態(tài)而避免角質(zhì)化，從而制備出可生物降解的紙基空氣過濾材料。研究了不同程度原纖化處理對紙基空氣濾材結(jié)構(gòu)和性能的影響，探討了原纖化處理對濾材Z向形貌的影響機理。結(jié)果表明，漿料濃度為1.5%、冷凍溫度為-56℃、磨漿轉(zhuǎn)數(shù)為50000 r時，紙基空氣濾材具有較佳的過濾性能。

關(guān)鍵詞：植物纖維；原纖化處理；冷凍干燥；空氣濾材；Z向形貌

中圖分類號：TS761.2

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.01.005

Study on the Structure and Properties of Cellulosebased Air Filter Material Controlled by Fibrillation

ZHANG Meiyun1，3 MA Shanshan1 YANG Bin1 SONG Shunxi1，2，* LU Peng2 SU Zhiping4

（1.College of Bioresources Chemical and Materials Engineering， China National Light Industry Key Lab of Paper Based

Functional Materials， National Demonstration Center for Experimental Light Chemistry Engineering Education，

Shaanxi University of Science & Technology， Xian， Shaanxi Province，710021；

2.Guangxi Key Lab of Clean Pulp & Papermaking and Pollution Control， Nanning，Guangxi Zhuang Autonomous Region， 530004；

3.State Key Lab for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials， Donghua University， Shanghai， 201620；

4.State Key Lab of Pulp and Paper Engineering， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong Province， 510640）

（*Email： 451613214@qq.com）

Abstract：In this research， a novel method for preparing biodegradable cellulosebased air filter materials based on freezedrying technique to remain fibrillation of the fiber surface and avoid hornification was presented. The plant fibers were chosen as the raw materials and treated by using grinding in different revolutions. The effect of various degree of fibrillation treatment on the structure and properties of cellulosebased air filter materials was investigated. Besides， the influence mechanism of fibrillation treatment on Z direction morphology of filters was also researched.The results demonstrated that the air filter materials behaved the superior filtering performance under the treatment condition of 50000 r grinding revolution、-56℃freezing temperature and 1.5%pulp concentration. Furthermore， the fibrillation treatment made more microfibrils remained on the surface of fibers and free hydroxyl groups exposed， which enhanced the interleaving force of fibers and uniformed the pore distribution among materials. In addition，threedimensional spiderweb like structure consisted of microfibrils and fiber back bones could improve interception capacity of air filters for particulate particles. Therefore， the environmentfriendly cellulosebased air filter material was fabricated efficiently and controllably.

Key words：plant fiber； fibrillation treatment； freezedrying； air filter material； Z orientation morphology

近年來，由于煤的燃燒和尾氣排放等人為源以及火山爆發(fā)等一系列自然因素造成大氣嚴(yán)重污染，尤其PM2.5（指大氣中空氣動力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5μm顆粒物）污染物[1]引起了全國大范圍內(nèi)的霧霾天氣，給人們?nèi)粘３鲂泻蜕顜碇T多不便，同時相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：PM2.5每增加10 μg/m-3會造成心肺疾病死亡率增加6%和肺癌死亡率增加8%[2]，因此研制綠色環(huán)保型空氣過濾材料[34]是一項亟待解決的任務(wù)。目前，市場上常用的空氣濾材材質(zhì)多為玻璃纖維、活性炭纖維和聚酯纖維等，多為不可再生、難降解的石油基衍生物，導(dǎo)致廢置濾材的處理會對環(huán)境產(chǎn)生巨大的污染負(fù)擔(dān)。植物纖維作為一種廣泛存在于大自然中的可再生生物質(zhì)資源，來源廣泛、價格低廉，因此，以植物纖維為原料取代合成聚合物制備空氣濾材具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值。

冷凍干燥法是目前制備紙基空氣濾材的主要方法，通過將纖維懸浮液冷凍成冰，低壓升華除去冰晶從而獲得紙基空氣濾材，冷凍過程中可以避免因固液表面張力作用而導(dǎo)致孔隙塌陷[5]，另外冷凍干燥可以保持原纖化處理后纖維分絲帚化的表面形貌，從而最大限度地保留濾材的孔徑尺寸和孔隙分布。Alan L. Macfarlane等人[6]利用冷凍干燥法通過加入APAM漿制得的紙基空氣濾材可以達到N95標(biāo)準(zhǔn)要求。JunjiNemoto[7]采用冷凍干燥法制備高效納米蛛網(wǎng)式空氣濾材，通過改變叔丁醇的加入量進而改變?yōu)V材的孔隙尺寸。然而以上實驗均未系統(tǒng)研究纖維本身特性改變對空氣濾材結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生的影響。

本研究通過對植物纖維進行不同程度原纖化處理，利用冷凍干燥法脫除凝固相冰晶同時盡可能地保留纖維分絲帚化的表觀形貌而避免角質(zhì)化，制備出可生物降解的紙基空氣濾材。采用纖維質(zhì)量分析儀（FQA）和光學(xué)顯微鏡（OP）對纖維分絲帚化的程度進行表征。再分別采用環(huán)境掃描電子顯微鏡、濾料測試儀、萬能材料試驗機對濾材的微觀形貌、過濾性能、動態(tài)壓縮性能進行表征，研究了不同程度原料化處理對紙基空氣濾材結(jié)構(gòu)和性能的影響，并探究原纖化處理對紙基空氣濾材的性能影響機理。

1 實 驗

1. 1 原料

漂白硫酸鹽法針葉木漿（水分含量4%～6%）；超純水。

1. 2 儀器

KRK PFI磨漿機，日本KumagaiRiki Kogyo公司；MMDICH30 多媒體光學(xué)顯微鏡，日本；Morfi Compact FS300纖維質(zhì)量分析儀，法國TECHPAP公司；FEI Q45+EDAX 環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI和EDAX公司；標(biāo)準(zhǔn)疏解機，德國Sartorius公司；LZCK1 濾料測試儀；BILON 冷凍干燥機，上海比朗儀器制造有限責(zé)任公司；AL7000NGD萬能材料試驗機，臺灣高鐵。

1. 3 實驗方法

1.3.1 原纖化處理紙漿纖維及形貌表征和紙基空氣濾材的制備

采用KRK PFI磨漿機對漂白硫酸鹽針葉木漿分別進行0、10000、20000、30000、40000、50000 r原纖化處理[8]，從而獲得不同程度分絲帚化的纖維[9]。再根據(jù)TAPPI標(biāo)準(zhǔn)（T401cm93）使用赫氏試劑對纖維染色、制樣，利用MMDICH30型多媒體光學(xué)顯微鏡觀察纖維表面形貌，放大倍數(shù)為400倍。采用Morfi Compact FS300纖維質(zhì)量分析儀測定原纖化處理前后纖維的尺寸。

圖1所示為利用冷凍干燥技術(shù)制備紙基空氣濾材的流程圖。具體方法如下：將經(jīng)過不同程度原纖化處理的紙漿纖維配制成濃度為1.5%懸浮液備用，再根據(jù)所制備濾材的目標(biāo)定量和直徑稱取一定體積的纖維懸浮液于燒杯中，并利用機械攪拌使纖維分散均勻。之后倒入內(nèi)徑為130 mm的培養(yǎng)皿中，置于-56℃的條件下冷凍2～4 h，完成濾材的初始成型過程，最后再通過BILON型冷凍干燥機于-56℃，10Pa環(huán)境下干燥48～72 h，從而制備出紙基空氣濾材。

1.3. 2 孔隙率和過濾性能

（1）孔隙率

紙基空氣濾材的孔隙率按公式（1）進行計算[10]。

P=（1-[SX（]ρ[]ρ0[SX）]）×100%（1）

式中，P為孔隙率，%；ρ0為漿板的緊度，1.12 g/cm3；ρ為紙基空氣濾材的緊度，g/cm3。

紙基空氣濾材孔隙率是微小孔隙的總體積與多孔材料總體積的比值，通過孔隙率的大小可以直接反映空氣濾材的密實程度。實驗結(jié)果取三組平行實驗的平均值。

（2）過濾性能

根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 18223∶2000，利用LZCK1 濾料測試儀測試所制備的紙基空氣濾材對直徑為300 nm（MPPS）的粒子的過濾性能。紙基空氣濾材的有效測試面積為100 cm2，測量過程中流過紙基空氣濾材的氣體流量設(shè)定在32 L/min，顆粒物產(chǎn)生源為DEHS氣溶膠發(fā)生器。

按公式（2）、公式（3）和公式（4）計算過濾效率、壓力降和質(zhì)量因子[6]，以這3個指標(biāo)來綜合評價紙基空氣濾材的過濾性能，同時探究木漿經(jīng)不同程度原纖化處理對紙基空氣濾材的性能影響。

式中，η為過濾效率，%；Cds為濾材出口處的顆粒濃度，%；Cus為濾材進口處的顆粒濃度，%；ΔP為壓降，Pa；Pds為顆粒出濾材時所受到的氣體阻力，Pa；Pus為顆粒進濾材時所受到的氣體阻力，Pa；QF為質(zhì)量因子（綜合評價過濾性能參數(shù)），Pa-1；n為相同濾材的層數(shù)。

1.3. 3 微觀形貌表征

采用美國FEI Q45+EDAX 環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）對制備的紙基空氣濾材微觀形貌進行表征和觀察，加速電壓為25 kV。具體操作方法為：首先對紙基空氣濾材進行噴金處理，然后采用二次電子成像模式觀察紙基空氣濾材的孔隙結(jié)構(gòu)和表面形貌。

1.3. 4 動態(tài)壓縮性能測試

采用AI7000NGD萬能材料試驗機對所制備的紙基空氣濾材進行動態(tài)壓縮性能測試。具體操作步驟為：把樣品置于測試臺上，通過計算機軟件控制加載臺，以2 mm/min的速度向下運動對樣品施加載荷，測量得到力位移曲線，利用公式（5）和公式（6）[11]計算每個實驗點的應(yīng)力值（σ）和應(yīng)變值（ε），從而繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線。

σ=[SX（]F[]S[SX）]（5）

ε=[SX（]δ[]T[SX）]（6）

式中，σ 為應(yīng)力，MPa；F為樣品所受到的壓縮載荷，N；S為樣品的橫截面積，mm2；ε為應(yīng)變，%；δ為壓縮過程樣品位移，mm；T為樣品的初始厚度，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 原纖化過程對木漿纖維表面形貌和物理性能的影響

木漿纖維原纖化處理主要是通過PFI磨漿機的盤磨對纖維的切斷作用[12]和纖維間摩擦作用使其表面分絲帚化，這種細(xì)纖維化作用促使纖維表面暴露出更多的微細(xì)纖維絲[1314]。原纖化處理對木漿纖維尺寸的影響見圖2，由圖2可以看出，隨著磨漿轉(zhuǎn)數(shù)不斷提高，纖維的長度和寬度均呈現(xiàn)遞減的趨勢，纖維平均長度降低主要歸因于盤磨對纖維的切斷作用，而纖維平均寬度減小是由于磨漿過程中對纖維本體的破壞。由圖3所示的原纖化處理對木漿纖維表面形貌的影響可以看出，磨漿轉(zhuǎn)速的增大加劇了細(xì)纖維化作用，從而使得更多的微細(xì)纖維絲從纖維主體上剝落。

2. 2 原纖化過程對紙基空氣濾材的孔隙率和過濾性能的影響

原纖化處理木漿纖維過程中，在切斷纖維的同時細(xì)纖維化作用使得大量的微細(xì)纖維絲從纖維主體上剝落，從而暴露出更多羥基結(jié)構(gòu)，增加了氫鍵結(jié)合位點造成纖維間結(jié)合力上升，導(dǎo)致紙基空氣濾材結(jié)構(gòu)密實化。由表1所示的不同原纖化程度纖維制備的濾材孔隙率[15]可以看出，磨漿轉(zhuǎn)數(shù)增加使得制備的紙基空氣濾材緊度增大而孔隙率下降。這主要是由于磨漿轉(zhuǎn)數(shù)增大，細(xì)纖維化程度增強導(dǎo)致微細(xì)纖維絲交織更為緊密，從而造成孔隙率下降。另外由圖4和圖5所示的原纖化過程對紙基空氣濾材過濾效率和質(zhì)量因子及壓力降的影響可以看出，隨磨漿轉(zhuǎn)數(shù)增加，濾材的過

濾效率和壓力降都逐漸增大，而質(zhì)量因子呈現(xiàn)一種先增大再減小最后上升的趨勢。主要因為原纖化程度增加使得紙基空氣濾材中包含有更多比表面積大、吸附能力強的細(xì)纖維絲，有助于增強紙基空氣濾材對空氣中顆粒物的吸附作用，從而提高其過濾效

率，另一方面，由于切斷作用造成纖維尺寸減小，單位體積內(nèi)堆積的纖維數(shù)量增加，有助于提高顆粒物與纖維接觸面積和碰撞幾率，過濾效率提高，當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)數(shù)50000 r時，過濾效率達到58.7%。同時單位體積纖維數(shù)量的增加必然造成纖維交織形成的孔隙細(xì)小化，導(dǎo)致濾材的氣體透過能力降低，因此當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)數(shù)為50000 r時，濾材的壓力降為30.5 Pa。由于其過濾效率增加幅度較大故而質(zhì)量因子仍保持在較高水平，因此當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)數(shù)50000 r時，可以獲得較佳的過濾性能。

2.3 原纖化過程對紙基空氣濾材結(jié)構(gòu)性能的影響

2.3.1 對表面形貌的影響

圖6所示為由不同原纖化程度木漿纖維制備的紙基空氣濾材的表面形貌。由圖6可以看出，隨磨漿轉(zhuǎn)數(shù)增加，纖維分絲帚化的程度不斷加劇，造成從纖維主體上掉落大量細(xì)小微纖維絲。當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)數(shù)超過30000 r時，單位體積內(nèi)微細(xì)纖維絲累積量逐漸增大，并填充于以纖維主干交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的空穴[16]中，將大孔洞切割成更加細(xì)小的孔隙，如圖6（d）～圖6（e）所示，微細(xì)纖維絲與纖維骨架交織形成的復(fù)合三維蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效增強了濾材對顆粒物的攔截能力，從而提高了過濾效率。同時由于這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)占據(jù)了空氣流體通道，使得過濾阻力不斷增大。因此隨著原纖化程度的增加，纖維交織越緊密、材料密實化程度越高，濾材的空氣過濾效率升高，同

時壓力降也隨之增加。

2. 3. 2 對Z向形貌的影響

圖7所示為由不同原纖化程度木漿纖維制備的紙基空氣濾材的Z向形貌。結(jié)合圖6（a）和圖6（b）與圖7（a）和圖7（b）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)數(shù)小于10000 r時，纖維在濾材表面或Z向均雜亂無章的分布，使得紙基空氣濾材微觀形貌呈現(xiàn)各向同性。當(dāng)磨漿轉(zhuǎn)數(shù)超過10000 r時，濾材的表面形貌和Z向形貌存在明顯差異，在圖6（c）～圖6（f）中空氣濾材表面纖維仍保持雜亂無序分布，而在圖7（c）～圖7（f）中濾材Z向結(jié)構(gòu)逐漸趨于沿著軸向分布排列，并且存在一定周期性。同時隨著磨漿轉(zhuǎn)數(shù)的增加，這種纖維沿軸向排列的周期性越明顯。木漿纖維原纖化程度影響濾材的Z向結(jié)構(gòu)主要由于在纖維懸浮液冷凍過程中冰晶對不同原纖化程度的纖維的作用方式差異而造成。

在纖維懸浮液冷凍過程中，薄片狀冰晶主要會沿著溫度梯度方向（濾材的Z向）生長，最終形成有序的層狀結(jié)構(gòu)。圖8所示為冰晶的生長過程示意圖[17]，理論上冰晶是一種六棱柱狀晶體，但由于在實際生長過程中各個方向的生長速度存在差異，其沿a軸方向的生長速度為c軸的100～1000倍，造成冰晶在沿a軸（溫度梯度）方向快速生長，而在c軸方向上的尺寸卻受到限制，最終呈現(xiàn)為各向異性薄片狀冰晶結(jié)構(gòu)。在冷凍纖維懸浮液過程中，冰晶生長存在一個臨界凝固速率（VC），如圖9所示，當(dāng)冰晶的凝固前沿速率（V）大于等于VC時，懸浮液中的纖維未及時移動而被生長的冰晶所吞噬，從而導(dǎo)致濾材多孔結(jié)構(gòu)的消失[18]；而當(dāng)V小于VC時，懸浮液中的纖維會被冰晶的凝固前沿排斥到片狀冰晶之間的夾縫中，使得制備的濾材Z向中的孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)層狀周期性分布[19]。公式7[20]為纖維懸浮液的臨界凝固速率計算公式，由公式可知懸浮液的臨界凝固速率與纖維尺寸成反比，也就是說在同一冷凍條件下，纖維尺寸越大VC越小，使得凝固前沿速率V越接近甚至超過VC，從而大部分纖維傾向于被冰晶吞噬，造成多孔結(jié)構(gòu)塌陷消失。由圖2可知隨著原纖化處理程度加劇，纖維平均尺寸逐漸減小，因此，當(dāng)控制凝固前沿速率V恒定時，提高磨漿轉(zhuǎn)數(shù)同時會造成纖維懸浮液VC上升，從而使得懸浮液中纖維從被冰晶吞噬狀態(tài)逐漸演變?yōu)楸槐懦?，最終制備的濾材的Z向形貌呈現(xiàn)為各向異性的周期性層狀結(jié)構(gòu)。

2.4 原纖化過程對紙基空氣濾材的動態(tài)壓縮性能影響

圖10所示為不同原纖化程度木漿纖維制備的紙基空氣濾材的動態(tài)壓縮曲線，隨磨漿轉(zhuǎn)數(shù)增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線平壓區(qū)逐漸縮短，密實化區(qū)逐漸向低應(yīng)變點偏移。主要是因為原纖化處理過程中，盤磨的切斷作用和摩擦作用使得大量的微細(xì)纖維絲從纖維主干上剝落下來，這種微細(xì)纖維絲具有比表面積大、氫鍵結(jié)合位點多的特點，將其填充在纖維主體搭建的纖維骨架網(wǎng)絡(luò)空穴中，增強了纖維間的氫鍵結(jié)合力和物理交織力[21]，同時隨著原纖化程度加劇纖維平均尺寸減小，單位體積內(nèi)纖維堆積數(shù)量增加，導(dǎo)致濾材緊度上升而孔隙率下降，形成了孔隙細(xì)小的致密型濾材。另外在冰晶作用下，纖維尺寸的減小造成濾材微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂械挚挂欢☉?yīng)力變形能力的層狀結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線中密實化區(qū)向低應(yīng)變點偏移。

3 結(jié) 論

（1）隨著木漿纖維原纖化程度加劇，懸浮液臨界凝固速率（Vc）升高，導(dǎo)致層狀冰晶對纖維的排斥作用增強，纖維從被冰晶吞噬而逐漸變?yōu)楸槐懦?，從而獲得了具有抵抗一定應(yīng)力變形的紙基空氣濾材。

（2）綜合考慮紙基空氣濾材過濾效率、壓力降和質(zhì)量因子，發(fā)現(xiàn)當(dāng)原纖化處理的磨漿轉(zhuǎn)數(shù)為50000 r時，制備的紙基空氣濾材具有較好的過濾性能，對300 nm顆粒物的過濾效率為58.7%，而壓力降為30.5 Pa。

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（責(zé)任編輯：馬 忻）