1 研究背景近年来，随着工业化以及城市化进程的不断加快，导致大气环境问题日渐紧迫，空气质量问题严重影响人类的健康，特别是在干燥的秋冬季节，大部分城市都会遭受到轻度甚至重度雾霾天气的影响，空气中PM2.5指数持续升高，空气质量指数急剧下降，造成了各地肺癌、支气管炎、哮喘、心血管病等疾病的发病率提高。为了解决空气污染对人体造成的健康问题，个人的空气过滤防护非常有必要，而传统的空气过滤材料纤维直径粗、孔隙大，只能进行初级过滤，难以满足对微细颗粒物的有效过滤拦截。加上近年来环境污染加剧，物理、生物、化学污染日益严重，普通过滤材料不具备隔绝病毒等微小生物的能力，且产品笨重、透气透湿性能差，逐渐濒临淘汰[1,2,3]。因此，研究并开发具有纳米级过滤性能的新型过滤材料是过滤防护的发展方向，是保证人体健康的快速有效途径之一。20世纪90年代静电纺丝技术发展日益成熟，研究者开始采用静电纺丝的方法研发纳米级的纤维制成空气过滤效率更加优异的过滤材料。静电纺纳米纤维具有直径小、孔隙率高、比表面积大等优势, 可以有效拦阻直径较小的颗粒物，特别适用于开发空气过滤材料，至今，利用静电纺丝技术制备超细纤维用于空气过滤领域仍是研究热点[4,5,6]。肖龙辉等纺制了静电纺聚丙烯腈纳米纤维膜，发现纺丝电压越大，纤维直径越小，膜的平均孔径越小, 最小可低至2.7 μm，此时过滤效率最佳，高达98.3%[7]；PATANAIK等制备了中间层为聚环氧乙烷纳米纤维，上下层为非织造基布的三层复合纤维过滤材料，发现随着聚环氧乙烷纳米纤维直径 (85 nm ~125 nm) 增大，过滤效率提高[8]；刘超等以聚丙烯腈为原料，通过静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维并沉积在聚丙烯针刺非织造材料的表面，制备成静电纺针刺复合过滤材料，经测试过滤效率可达到95.57%，而呼吸阻力仅为3.8 mm H2O，可用于制备高效低阻空气过滤材料[9]。在静电纺丝过程中，聚合物射流在从纺丝喷嘴到接收板的运动过程中主要受到表面张力、黏弹力、库伦斥力和电场力的影响，其中电场力为影响射流运动最主要的作用力[10]。电场力对射流运动的影响将会影响到最终形成的纤维直径均匀度，以及纤维膜的性能[11,12,13,14,15]。因此，静电纺丝装置的电场分布对纤维和纤维膜性能具有极其重要的影响作用[16]。YANG对接收板形状和大小的研究显示，接收板表面的电场对纳米纤维膜的均匀性有一定影响，表面电场均匀的接收装置收集到的纤维膜厚度更加均匀[17]。在静电纺丝工艺过程中，电场的分布是由施加了高压静电的纺丝喷嘴和接地的接收板形状决定[18]。由于纺丝过程中纺丝喷嘴上施加有高压静电，很难直接测得静电纺丝装置的电场强度，因此通过利用有限元法计算纺丝装置的电场分布是设计电场的有效方法，该方法主要是通过偏微分方程来求近似解，广泛应用于计算物理和工程偏微分方程问题[19,20,21]。该计算方法可以将静电纺丝装置所用材料的实际尺寸、材料性质代入计算中，通过软件计算将纺丝装置中的电场分布可视化。本文运用Ansoft Maxwell 15.0版本软件来对静电纺丝装置的三维电场进行模拟。通过对不同结构接收装置的电场分布模拟分析，研究电场对静电纺丝纤维膜中纤维取向度和过滤性能的影响。本试验主要以聚苯乙烯为纺丝原材料，N，N⁃二甲基甲酰胺作为溶剂，利用静电纺丝方法制备超细纤维，采用不同电场分布的接收装置收集纤维膜,研究其上纤维的排列取向度对纤维膜空气过滤性能的影响。2 试验材料与方法2.1　纺丝溶液的制备称取6 g聚苯乙烯[ (C8H8)n，相对分子质量170 000，西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司]置于锥形瓶中，将24 g的N，N⁃二甲基甲酰胺（C3H7NO，分子量73.09，国药集团化学试剂有限公司）加入含有聚苯乙烯的锥形瓶中混合，在室温用强力搅拌机搅拌5 h至完全溶解后静置3 h，得到均一、透明的溶液备用。2.2　超细纤维膜的制备试验所用的静电纺丝装置如图1所示。该装置包括供液系统、高压静电系统、纤维接收系统和温湿度控制系统。.F001图1静电纺丝装置示意图供液系统由一个微量注射泵和带有金属针头的注射器组成，针头由一个电机带动可做横向移动，保证制备的纤维膜厚度的均匀性；高压静电系统分别与针头和接收辊相连，针头与高压电源正极相连，接收辊接地；纤维接收系统为不同结构的金属网；温湿度控制系统由一个加热装置、温湿度计和一个湿度控制器构成，加热装置和湿度控制器分别调控纺丝箱体内的温度和湿度。将配制的均匀纺丝溶液注入注射器中，将注射器放置于微量注射泵中，喷丝头到接收装置之间的距离为20 cm，喷嘴上施加的电压为25 kV，纺丝溶液推进速度为50 mL/h，针头运动速度为100 cm/min，在温度为（22±3）℃，相对湿度为（40±3）%的条件下进行静电纺丝1 h，制得纤维膜。为探究具有不同电场分布的接收装置对静电纺纤维膜的性能影响，选用了3种不同规格金属网作为接收装置：1号接收装置的网孔为10 mm×10 mm，丝径为1 mm；2号接收装置的网孔为30 mm×30 mm，丝径为2 mm；3号接收装置的网孔为50 mm×50 mm，丝径为2 mm，3块接收网尺寸均为200 mm×200 mm。2.3　性能测试与表征2.3.1　电场分布模拟在本文电场分布计算中，激励源和边界条件均一致。激励源均为纺丝喷嘴处施加15 kV的静电，接收板处为0 kV；边界条件选用气球边界条件（Balloon Boundary），也称为无穷远边界条件，即无穷远处电压为0 kV；采用自适应网格剖分技术自动剖分网格单元。求解参数设置如下：残差为1×10-7，误差平均值设为0.005；喷嘴和接收装置质均为不锈钢，接收装置和喷嘴的几何尺寸与试验条件完全一致；喷嘴与接收板中央位置的距离为20 cm；计算区域为真空。2.3.2　纤维取向度采用纤维膜纵横强力比的方法对纤维的取向度进行表征，即对聚苯乙烯纤维膜的纵向和横向拉伸性能进行测试，从而获得纤维膜纵向与横向的断裂强力比，由此计算和分析纤维膜中纤维的取向度（杂乱度）。采用上海旭赛仪器有限公司制造的XS（08）XT⁃3型强力测试仪对纤维膜的拉伸强力进行测试，从每个样品上裁剪10 mm ×30 mm的试样进行测试，每个样品测试5个试样取平均值。测试时，设置夹距为30 mm，拉伸速度为100 mm/min。2.3.3　浸润性能接触角的测量采用德国KRUSS有限公司制造的DSA30型光学接触角测试仪，采用静态液滴法对纤维膜进行表面疏水性测试。首先从每个样品上裁剪出10 mm×10 mm的试样，然后每个试样取5个不同位置进行测量取平均值。测试过程中，测试所用液滴为蒸馏水，液滴体积为3 μL。2.3.4　过滤性能纤维膜对各种尺寸颗粒的过滤效果及过滤前后纤维膜增重的测试是由自行搭建的过滤设备进行的，测试原理如图2所示。试验中，纤维膜的测试面积为10 cm2，香烟燃烧产生的颗粒物粒径大部分在1 000 nm以下。测试瓶中香烟的浓度可通过调节香烟燃烧的时间进行控制，初始状态下，将香烟浓度控制在50 μg/m3左右，在密闭测试瓶内，纤维膜被夹持在两个密闭测试瓶中间并用橡胶圈密封。通过内置的数字式通用PMS7003型颗粒物浓度传感器（北京攀藤科技有限公司）实时读取密闭测试瓶中的香烟浓度，并计算4 min后各种尺寸的颗粒物浓度及颗粒物数值的变化情况。浓度传感器主要采用激光散射原理，即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度收集散射光，得到散射光强随时间变化的曲线，进而微处理器利用基于米氏理论的算法，得出颗粒物的等效粒径及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。.F002图2自组装过滤装置在性能测试时，将纤维膜夹在左右密闭的测试瓶中间，测试瓶与纤维膜接触的地方为橡胶圈，在保证过滤时的密闭环境同时又能保护纤维膜不受破坏。数字式通用颗粒物浓度传感器放置在左边测试瓶，连接的左密闭测试瓶通过软管与空气相通，连接的右密闭测试瓶与真空泵相连，通过真空泵的抽吸力将香烟烟雾吸入到纤维膜上，经纤维膜过滤后，用传感器记录香烟浓度的变化，由计算机输出结果[22,23]。主要输出为单位体积内各浓度颗粒物质量以及个数。对照传感器附带的PMS7003传输协议，进行12组数据的进制换算，提取有效数据。采用日本日立公司的SU8010型扫描电子显微镜对制备的聚苯乙烯纤维过滤前后的表面形貌进行分析，测试前所有样品都经表面喷金处理。3 结果与讨论3.1　不同接收装置的电场分布3种不同规格接收装置的电场分布和电场方向如图3所示。对比3组图片可以看出，3种不同规格接收装置的电场分布在喷嘴附近比较相近，在接收装置表面及上方位置区别较大。随着接收装置网孔尺寸的增大，接收网表面的电场强度增加，且网格之间的弱电场区增大，这是由于随着网孔尺寸的增大，相邻两个金属丝电场强度随之增强，单个网格的两根金属丝间相互排斥作用增强。同时，也可以观察到接收网两侧最边缘的金属丝的电场比中间区域的金属丝的电场强，主要是由于位于两侧边缘区域的金属丝只收到一侧金属丝电场的排斥作用。以上结果也可从电场方向图中进行验证，在电场方向图中，可以清晰看出，随着接收装置网格的增大，接收网表面的电场增强，且接收网中相邻的两根金属丝之间的排斥作用也随着网格的增加而增强。不同规格的接收网表面显现出的不同电场分布最终会影响静电纺纤维在其表面的沉积状态。图3不同接收装置的电场分布结果.F003(a)1号电场分布图(b)1号电场方向图.F004(c)2号电场分布图(d)2号电场方向图.F005(e)3号电场分布图(f)3号电场方向图3.2　纤维取向度不同规格接收装置所收集的聚苯乙烯超细纤维膜的纤维排列状态如图4所示。可以看出表面部分纤维取向明显，这是由于接收网表面的金属网格上具有较强的电场强度，静电纺丝纤维在沉积到接收装置表面时纤维表面带有一定的电荷，接收装置表面的电场强度会影响纤维的沉积。不同规格接收装置收集的纤维膜取向度通过纤维膜的纵横强力比来间接表征，纤维膜的纵向和横向的断裂强力以及两个方向的强力比值见表1。表1显示，随着接收装置的网格尺寸增加，纤维膜纵向和横向的断裂强力都随之减小。这主要是由于随着网格尺寸的增加，接收装置的金属丝表面的电场增强，纤维的沉积会集中在电场强的金属丝表面，致使纤维膜的强力下降。在试验过程中也观测到，当网孔为50 mm×50 mm时，纤维主要聚集在网格上，在网孔上分布稀疏且取向随机。随着网格尺寸的增大，纤维膜的纵横强力比也随之增大，这表明网格越大，纤维取向度越高。图4不同规格接收装置所收集的聚苯乙烯纤维膜.F006(a)1号接收装置.F007(b)2号接收装置.F008(c)3号接收装置.T001表1不同接收装置收集纤维膜的纵向和横向断裂强力样品纵向断裂强力/N横向断裂强力/N纵横强力比1号接收装置3.8983.4801.122号接收装置3.0532.2451.363号接收装置2.9701.7781.673.3　纤维膜浸润性能测试可知，1号、2号、3号接收装置收集纤维膜的水接触角分别为136.2°、132.4°（水珠两侧角为132.3°、132.5°）、130.4°（水珠两侧角为130.2°、130.6°），3种纤维膜均表现出较好的拒水性能，但是随着接收装置网孔尺寸增加，水接触角的角度有所减小，且水珠两侧角度差增大。这主要是因为随着网孔尺寸的增加，接收网金属丝表面的电场增加，纤维的沉积会集中于金属丝的表面，纤维的均匀程度会随之下降。在纺丝时间和工艺条件不变的情况下，接收装置的网孔越小，纤维膜的均匀度就越好，纤维的取向越杂乱，所以水接触角较大，且水珠两侧的角度相等。3.4　纤维膜过滤性能图5展示了香烟烟雾过滤前后的纤维表面形态的扫描电镜图。从图5中可以很清楚地看出，过滤后的纤维表面明显吸附了香烟烟雾。过滤前聚苯乙烯纤维表面呈排列整齐的多孔结构，而在过滤香烟烟雾后，纤维膜对香烟烟雾的吸收使多孔结构填塞呈现表面粗糙的褶皱结构。这主要是因为纤维表面的多孔结构提供了纳米颗粒进入纤维膜的可能性，纤维表面的纳米级微孔可捕获烟雾颗粒，随着过滤时间的增加，纤维表面的微孔由于持续捕获纤维颗粒而堵塞，香烟烟雾颗粒持续积累在纤维表面而形成凸起的褶皱。图5聚苯乙烯纤维过滤前后表面形态电镜图.F009(a)过滤前.F010(b)过滤后测试可知，1号、2号和3号接收装置收集的聚苯乙烯纤维膜烟雾吸收量分别是1.1 mg、0.5 mg、0.4 mg，接收装置网孔尺寸最小时所形成纤维膜的烟雾吸收量最大，过滤效果最佳。主要是由于1号接收装置所收集的纤维膜中纤维杂乱度较高，且纤维的均匀度好。随着接收装置网孔尺寸增加，纤维膜中纤维的取向度增加，纤维膜的透气性随之增加，对香烟烟雾气体的拦截能力下降，因此，纤维膜对烟雾颗粒的吸收能力下降。图6为3种不同规格的接收装置对不同尺寸颗粒物的过滤效率。从图6中可以看出，随着网孔尺寸的增加,对不同尺寸的颗粒物的过滤效果均有所下降，这与烟雾吸收量的测试结果一致。对于同一规格的接收装置来说，被过滤的颗粒物尺寸越大，过滤效果越好，1号接收装置收集到的纤维膜对2.5 μm、5 μm和10 μm的颗粒过滤效率在90%以上。当颗粒物的尺寸较小时，纤维表面的微孔可以吸收一定量的颗粒物，当吸收量达到饱和时，过滤效果不会再增加，因此对较小尺寸颗粒物的过滤效果较差。当颗粒物尺寸较大时，纤维膜中的纤维与纤维间形成的多层多孔结构可以对颗粒物起到一定的拦截作用，因此颗粒物大时过滤效果好。另外，还可以从图6中观察到，颗粒物尺寸为0.3 μm和0.5 μm时，3号接收装置的过滤效果下降明显，这是由于3号接收装置所接收的纤维膜中纤维的取向度较高，杂乱度低，纤维沿同一方向排列较多，烟雾较容易通过纤维膜，对小尺寸的颗粒物的吸收和拦截效果均较差。.F011图6聚苯乙烯纤维膜对不同尺寸颗粒物过滤效率4 结论本试验以聚苯乙烯为原料，利用静电纺丝方法制备超细纤维膜，探究了具有不同电场分布的接收装置对静电纺聚苯乙烯纤维取向度、纤维膜过滤性能的影响。通过本试验的研究得到如下结论。（1）在静电纺丝中，不同网格尺寸的金属网作为接收装置时，金属网表面的电场分布不同。网格尺寸越大，金属网表面的电场越大，相邻两根金属丝之间的排斥作用越明显。（2）不同网格尺寸的接收装置对纤维膜中的纤维排列影响较大。网格尺寸越大，纤维的取向度越大，纤维膜均匀性越差；不同规格接收装置所接收纤维膜的水接触角随着网孔尺寸的增大而减小。（3）随着接收装置网孔的增加，纤维膜对香烟烟雾的吸收量和对不同尺寸的颗粒物的过滤效果均减小；随着颗粒物尺寸增加，三种纤维膜的过滤效果均呈上升趋势，最小网孔接收的纤维膜对大颗粒过滤效率达90%以上。