作者：張抱樸 材料學(xué)院
指導(dǎo)老師：伍暉 材料學(xué)院
關(guān)鍵詞：空氣過濾、氣紡法、高黏性、納米纖維
摘要
隨著我國工業(yè)化程度不斷提升，空氣污染日益成為不可忽視的問題，相關(guān)研究表明，我國每年死于空氣污染引發(fā)疾病的人數(shù)約160萬。此外，尚未得到徹底控制的新冠疫情使得口罩需求量激增。傳統(tǒng)口罩為短周期消耗品，生產(chǎn)和處理環(huán)節(jié)給環(huán)境和資源帶來額外壓力。本項(xiàng)目用納米纖維替代傳統(tǒng)濾材。納米纖維的高比表面積使之可通過物理吸附方式攔截微小顆粒物，在佩戴一段時(shí)間后通過消毒、洗滌以重復(fù)使用。以聚氨酯為原料，氣紡絲為紡絲方法，制備出力學(xué)性能優(yōu)異、耐水解、高黏性的納米纖維。為兼顧過濾效率與佩戴舒適度，測試不同樣品的過濾效率σ和壓降ΔP，選擇出最佳面質(zhì)量密度。與N95濾層進(jìn)行重復(fù)使用性能對比，循環(huán)方式為75%酒精噴灑3次后自來水浸泡20分鐘，發(fā)現(xiàn)納米纖維濾層的過濾效率更加持續(xù)和穩(wěn)定，具備可重復(fù)使用的潛力。
圖1 2014-2015年多地區(qū)年平均PM2.5濃度
圖2 新冠病毒示意圖
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
本項(xiàng)目按聚氨酯:N,N-二甲基甲酰胺:丙酮:曲拉通質(zhì)量比21:58.5:19.5:1混合并攪拌4小時(shí)得到前驅(qū)體溶液，在喂液速度20μL、氣流壓強(qiáng)0.05Mpa下（圖1）制備出平均粒徑約為200nm的納米纖維（圖2）。氣流通過濾層前后的壓降ΔP和過濾效率σ是濾材性能的重要指標(biāo)，為兼顧佩戴舒適感與防護(hù)效果，從三個(gè)樣品中通過公式
選擇出最佳面質(zhì)量密度，最終選擇出面質(zhì)量密度為29.41g/m2。以該密度與N95濾層進(jìn)行可重復(fù)使用性能對比，重復(fù)使用方式為過濾測試后先用75%酒精溶液消毒，后用自來水浸泡20分鐘以無害移除已吸附顆粒物，釋放纖維表面吸附位點(diǎn)。待自然晾干后再次進(jìn)行過濾測試，記錄各自的過濾效率和壓降。數(shù)據(jù)顯示，N95濾層過濾效率隨重復(fù)使用下降明顯，而納米
纖維濾層過濾效率則更為持久和穩(wěn)定，表明納米纖維在可重復(fù)使用方面的潛力。
圖3 氣紡裝置示意圖及纖維微觀結(jié)構(gòu)表征
圖4 纖維粒徑分布統(tǒng)計(jì)（樣本數(shù)量150）
圖5 最佳面質(zhì)量密度選擇
圖6 納米纖維與N95重復(fù)使用性能對比
應(yīng)用前景
本項(xiàng)目本項(xiàng)目濾層的突出性能為可重復(fù)使用。另外納米纖維因具有極高的比表面積而兼具高黏性和高吸附量。氣紡絲方法的高生產(chǎn)效率，因可重復(fù)使用而降低的經(jīng)濟(jì)成本，將使納米纖維濾層的工業(yè)級別生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用成為可能。
基于上述性質(zhì)，該濾層具有廣闊的應(yīng)用前景，如作為可重復(fù)使用的口罩濾層、工業(yè)廢氣過濾裝置濾層和生化防護(hù)服。
