干燥方式對亞微米纖維復合空氣過濾材料結(jié)構(gòu)和性能的影響

劉雅熙 孫召霞 胡 健 梁 云

（華南理工大學輕工科學與工程學院，廣東廣州，510640）

隨著現(xiàn)代工業(yè)蓬勃發(fā)展，生態(tài)環(huán)境惡化隨之而來。大氣環(huán)境中飄浮著各種各樣的粉塵顆粒和微生物，這些微粒對醫(yī)療衛(wèi)生、食品、生物工程、化學藥品制造、航天、電子、精密機械制造等行業(yè)都具有極大的危害[1]，因此人們對空氣過濾材料的需求進一步提高。常見的空氣過濾材料大多由纖維制成[2]。纖維的直徑?jīng)Q定了空氣過濾材料的過濾性能、應用環(huán)境和使用工況[3]。亞微米級纖維是高效和超高效空氣過濾材料不可或缺的纖維原料。

原纖化天絲和玻璃棉是2種用于制備空氣過濾材料的重要亞微米纖維，已有研究人員對這2種纖維的過濾性能開展了相關(guān)研究工作[4-5]。亞微米纖維直徑較小、比表面積較大，有利于提高過濾材料的過濾效率，但纖維直徑的減小會使得過濾材料孔隙減小，導致過濾阻力增大[6]。原纖化天絲表面具有親水性羥基，表面張力會令纖維在加熱干燥過程中相互靠近，導致過濾材料的多孔結(jié)構(gòu)坍塌[7]。Mao等人[8]認為，如果干燥狀態(tài)的原纖化纖維還可以保持其在濕態(tài)時的形貌，那么其可更好地捕獲細小顆粒，并且可以防止過濾材料的過濾阻力增加。陳海峰等人[9]認為，采用低溫冷凍干燥方法，當水由固態(tài)升華變?yōu)闅鈶B(tài)時，可以消除表面張力的影響，纖維間的距離大于氫鍵作用范圍，這樣即可保持纖維網(wǎng)絡(luò)的孔隙結(jié)構(gòu)不變。張美云等人[10]將經(jīng)過不同磨漿轉(zhuǎn)數(shù)處理得到的原纖化纖維配成一定濃度的纖維懸浮液，均勻地分散在培養(yǎng)皿中進行冷凍干燥，分析了過濾材料的結(jié)構(gòu)和性能?？梢姡稍锓绞綄諝膺^濾材料結(jié)構(gòu)的重要影響已得到研究人員的認同，但對于原纖化天絲與玻璃棉這2種重要亞微米纖維的系統(tǒng)對比研究還未有報道。

本研究以原纖化天絲和玻璃棉這2種亞微米纖維為原料，制備了具有雙層復合結(jié)構(gòu)的空氣過濾材料（以下簡稱濾材），系統(tǒng)對比了加熱干燥和冷凍干燥對濾材過濾性能和形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，為更好地將亞微米纖維應用于高性能空氣過濾材料提供一定的參考。

1 實驗

1.1 實驗原料

玻璃棉：平均直徑約0.8 μm，奇耐東響聯(lián)合纖維（沈陽）有限公司；原纖化天絲：平均直徑約0.5μm，廣州華創(chuàng)化工材料科技開發(fā)有限公司；PET無紡布：型號為NanoBase0 FPB1610，日本三菱制紙株式會社。

1.2 實驗方法

1.2.1 濾材的制備

（1）原纖化天絲濾材的制備

以原纖化天絲為纖維原料，將纖維層定量設(shè)計為2、4、6、8、10 g/m2。纖維按設(shè)計定量稱量，與2 L水一同疏解。在抄片器成形網(wǎng)上墊一層PET無紡布作為基材，再將纖維懸浮液倒入抄片器中，加水至10 L，而后纖維懸浮液在重力的作用下濾水沉降在PET無紡布上[11]（見圖1），得到成形的濕濾材。將PET無紡布及濕濾材一起放入105℃的平板紙樣干燥器（型號為PL7-C，咸陽泰思特試驗設(shè)備有限公司）中烘干至質(zhì)量恒定。

圖1 原纖化天絲濾材的濕法成形過程Fig.1 Wet-laid formation process of fibrillated lyocell filter media

（2）原纖化天絲混合玻璃棉濾材的制備

將纖維層的定量設(shè)計為4 g/m2，原纖化天絲與玻璃棉按0∶10、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0的比例混合，制備纖維懸浮液。按上述步驟得到成形的濕復合濾材后，分別將PET無紡布及濕復合濾材：①一起放入105℃的平板紙樣干燥器中烘干至質(zhì)量恒定；②一起放入?18℃的冰箱中冷凍12 h后，再放入溫度為?30℃、壓力為37 Pa的冷凍干燥機（型號為ALPHA 2-4 LD plus，德國MarinChrist公司）中干燥24 h至質(zhì)量恒定。

1.2.2 濾材形貌的觀測

采用掃描電子顯微鏡（SEM，型號為G2Pro Y，荷蘭Phenom-World公司）觀察濾材的表面及截面微觀形貌。

1.2.3 濾材性能的測試

采用氣體透過自動測試臺（型號為TSI AFT 8130，美國TSI公司）測試濾材的過濾效率、過濾阻力；采用毛細流量孔徑測試儀（型號為CFP-1100-A，美國PMI公司）測試濾材的平均孔徑，并借助全自動氣體置換法真密度儀（型號為ACCUPYCⅡ1340，上海麥克默瑞提克儀器有限公司）和理想氣體狀態(tài)方程測定并計算濾材的孔隙率[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 原纖化天絲濾材

2.1.1 基材PET無紡布的主要性能

PET無紡布的定量約為10 g/m2，平均厚度約為14 μm，其照片與SEM圖如圖2所示。由圖2可知，PET無紡布中的纖維較扁，表面較為光滑，纖維之間的搭接和結(jié)合較為緊密。PET無紡布的過濾效率低于10%，過濾阻力在0.9~1.1 mm H2O的范圍內(nèi)。因此本研究中，PET無紡布主要起支撐纖維層的作用，對濾材的過濾效率和過濾阻力不會產(chǎn)生顯著影響。

圖2 PET無紡布的照片與SEM圖Fig.2 Picture and SEM images of PET nonwoven

2.1.2 原纖化天絲濾材的結(jié)構(gòu)和性能

原纖化天絲濾材的表面及截面SEM圖如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，當定量為2 g/m2時，原纖化天絲層過薄，不能完全覆蓋PET無紡布表面，有較大面積的PET無紡布裸露出來。當定量≥4 g/m2時，原纖化天絲基本能完全覆蓋PET無紡布。

圖3 原纖化天絲濾材的表面SEM圖Fig.3 SEM images of fibrillated lyocell filter media(surface)

圖4 原纖化天絲濾材的截面SEM圖Fig.4 SEM images of fibrillated lyocell filter media(cross section)

原纖化天絲濾材的過濾性能如表1所示。由表1可知，隨著原纖化天絲層定量的增大，濾材的平均孔徑減小、過濾阻力增大、過濾效率提高。當原纖化天絲層的定量≥4 g/m2時，濾材的過濾效率較符合實際過濾應用。因而要研究不同干燥方式對濾材結(jié)構(gòu)和性能的影響，纖維層的定量應至少為4 g/m2，并用于后續(xù)實驗。

表1 原纖化天絲濾材的主要性能Table 1 Main performances of fibrillated lyocell filter media

2.2 原纖化天絲混合玻璃棉濾材

按一定配比混合原纖化天絲和玻璃棉后制備原纖化天絲混合玻璃棉濾材。在其他實驗條件和實驗方法都相同的情況下，對原纖化天絲混合玻璃棉濾材分別進行加熱干燥和冷凍干燥處理。

2.2.1 加熱干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的SEM圖分析

圖5和圖6分別是加熱干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的表面和截面SEM圖。結(jié)合圖5和圖6可知，隨著原纖化天絲占比的增加，纖維出現(xiàn)了明顯的聚集，纖維之間的距離減小，纖維層的蓬松程度降低，纖維層厚度減小，這樣的結(jié)構(gòu)會使氣流穿過時受到較大的阻力，不利于發(fā)揮出亞微米纖維直徑小的優(yōu)勢。而玻璃棉可以撐開聚集在一起的原纖化天絲并有效地穿插其間，在一定程度上減小原纖化天絲在加熱過程中由于水分蒸發(fā)所導致的收縮。

2.2.2 冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的SEM圖分析

為了盡量保持纖維在濕態(tài)時的形貌以及原纖化天絲混合玻璃棉濾材在濕態(tài)時的孔徑尺寸和孔隙分布，采用冷凍干燥的方式對原纖化天絲混合玻璃棉濾材進行干燥處理。冷凍干燥是將濕濾材凍結(jié)成冰，然后在高度真空的環(huán)境下將冰升華為水蒸氣而使?jié)駷V材干燥的方法，有利于減少因降低固液界面的表面張力所導致的濾材多孔結(jié)構(gòu)的萎縮和坍塌。

圖7和圖8分別是經(jīng)冷凍干燥的原纖化天絲混合玻璃棉濾材的表面和截面SEM圖。結(jié)合圖7和圖8可知，隨著原纖化天絲占比增加，原纖化天絲混合玻璃棉濾材的厚度減小。冷凍干燥濾材與加熱干燥濾材的表面形貌和結(jié)構(gòu)差異顯著。這是因為原纖化天絲表面具有親水性羥基。在加熱干燥的過程中，表面張力將纖維之間的距離拉近，相鄰的羥基間距變小，形成氫鍵，增強了纖維之間的結(jié)合。但纖維之間的距離過小時，水與纖維表面會產(chǎn)生毛細黏附，濾材孔隙率降低[13-14]。配比為10∶0的濾材（即純原纖化天絲濾材）經(jīng)加熱干燥后和冷凍干燥后的形貌變化最為明顯：加熱干燥的純原纖化天絲濾材纖維層較致密（見圖5（f）、圖6（f）），而冷凍干燥的純原纖化天絲濾材纖維層較為疏松（見圖7（f）、圖8（f））。這是因為加熱干燥會使能吸水潤脹的原纖化天絲隨著水分的蒸發(fā)而收縮，破壞了濾材的孔隙結(jié)構(gòu)，而冷凍干燥可以較大限度地保留原纖化天絲的原纖化結(jié)構(gòu)和形貌。配比為0∶10的濾材（即純玻璃棉濾材）經(jīng)加熱干燥后和冷凍干燥后的形貌變化較小。這是因為對于表面沒有羥基、不會形成氫鍵的玻璃棉來說，濾材的干燥方式不會使其形貌發(fā)生明顯變化。

圖5 加熱干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的表面SEM圖Fig.5 SEM images of heat-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers(surface)

圖6 加熱干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的截面SEM圖Fig.6 SEM images of heat-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers(cross section)

圖7 冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的表面SEM圖Fig.7 SEM images of freeze-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers(surface)

圖8 冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的截面SEM圖Fig.8 SEM images of freeze-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers(cross section)

2.2.3 加熱干燥濾材與冷凍干燥濾材的性能對比

加熱干燥和冷凍干燥的本質(zhì)區(qū)別是纖維間水分脫除方式的不同對濾材結(jié)構(gòu)的影響不同[15]（如圖9所示），而濾材的結(jié)構(gòu)會直接影響濾材的過濾性能。

圖9 加熱干燥濾材和冷凍干燥濾材結(jié)構(gòu)變化示意圖Fig.9 Diagram of structural change of filter media prepared by heat-and freeze-drying，respectively

加熱干燥和冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的性能對比如圖10所示。由圖10可知，相同配比的冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材比加熱干燥濾材的過濾性能更優(yōu)異。當原纖化天絲與玻璃棉的配比分別為2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0時，冷凍干燥濾材的過濾效率分別比加熱干燥濾材的過濾效率高3.5%、5.5%、9.8%、12.2%、12.0%，過濾阻力分別低20.4%、28.1%、23.3%、33.2%、47.9%。這說明冷凍干燥可顯著提升濾材的過濾性能。當原纖化天絲與玻璃棉的配比為0∶10（即純玻璃棉濾材）時，相較于加熱干燥的濾材，雖然冷凍干燥濾材的過濾效率基本不變，但其過濾阻力降低了26.3%。加熱干燥時，平板干燥器對濾材有一定大小的壓力，可能破壞濾材的孔隙結(jié)構(gòu)，這是冷凍干燥濾材過濾阻力比加熱干燥濾材低的原因之一。

圖10 加熱干燥和冷凍干燥原纖化天絲混合玻璃棉濾材的性能比較Fig.10 Comparison of filtration performances between heated and freeze-dried composite filter media prepared by mixed fibrillated lyocell and glass wool fibers

隨著纖維層中的原纖化天絲占比增加（即配比從0∶10逐漸增至10∶0），2種干燥方式得到的濾材的孔隙率減小。這是因為當纖維層的定量相同時，纖維的平均直徑越小，纖維之間的距離就越近。原纖化天絲直徑比玻璃棉小，交織更為緊密，會阻塞濾材的孔隙結(jié)構(gòu)。對比配比不同的冷凍干燥濾材的性能可以發(fā)現(xiàn)，原纖化天絲混合玻璃棉濾材的過濾效率大于純玻璃棉制備的濾材（過濾效率為90.64%）和純原纖化天絲制備的濾材（過濾效率為90.79%）。這說明采用冷凍干燥的方式干燥濾材時，2種亞微米纖維的復配對濾材過濾效率的提升有積極作用。

3 結(jié)論

以PET無紡布為基材，以原纖化天絲和玻璃棉為纖維原料，制備了亞微米纖維復合空氣過濾材料（以下簡稱濾材），重點研究了加熱干燥和冷凍干燥對濾材過濾效率、過濾阻力、孔隙率等性能的影響。

3.1 冷凍干燥能較好地保留濕濾材中亞微米纖維的形態(tài)，減少纖維的收縮，此干燥方式對原纖化天絲的影響尤為顯著。

3.2 隨著玻璃棉占比減少，加熱干燥濾材的過濾阻力增大，過濾效率降低，孔隙率減小，平均孔徑減小；冷凍干燥濾材各項性能的變化趨勢亦是如此，但其變化程度相對平緩。

3.3 當原纖化天絲與玻璃棉的配比分別為2∶8、4∶6、6∶4、8∶2時，冷凍干燥濾材的過濾效率比加熱干燥濾材的過濾效率分別高3.5%、5.5%、9.8%、12.2%，過濾阻力分別低20.4%、28.1%、23.3%、33.2%。