熔喷与呼吸图技术结合实现大规模生产具有分层结构的聚乳酸非织造布，用于持久高效的空气过滤

环境工程 有机高分子材料 化学 材料学 工程学 高分子化学
聚乳酸 熔喷非织造布 呼吸图法 分层结构 空气过滤

新型可降解空气过滤材料：PLA熔喷非织造布与呼吸图案技术的结合

学术背景

随着空气污染问题的日益严重，尤其是细颗粒物（PM2.5）对人体健康的威胁，高效空气过滤材料的需求不断增加。传统的空气过滤材料大多依赖于石油基材料，如聚丙烯（PP），这些材料不仅不可降解，还会对环境造成长期污染。因此，开发可降解、高效且耐用的空气过滤材料成为了研究的热点。

聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）作为一种生物基材料，具有良好的可降解性和加工性能，被认为是替代石油基材料的理想选择。然而，传统的PLA熔喷非织造布（Melt-Blown Nonwovens, MN）在过滤性能上存在不足，尤其是其过滤效率主要依赖于静电效应，而静电效应在长期储存和使用过程中会逐渐衰减，导致过滤性能下降。为此，研究人员希望通过引入新的技术手段，提升PLA基过滤材料的性能。

论文来源

本论文由Yintao Zhao、Shuai Zhang、Di Yan、Jinfa Ming、Xuefang Wang和Xin Ning共同撰写，研究团队来自中国青岛大学的产业用非织造布与技术纺织品研究所、纺织服装学院以及山东省工程非织造布中心。该论文于2025年1月5日发表在《Advanced Fiber Materials》期刊上。

研究流程与实验设计

1. 研究目标

本研究旨在通过结合熔喷技术（Melt-Blowing）和呼吸图案（Breath-Figure, BF）技术，开发一种具有多层次结构的PLA基非织造布（PMBP），以提升其过滤性能，尤其是在无静电效应的情况下仍能保持高效过滤。

2. 材料准备

研究使用了两种PLA材料：Revode 210（熔融指数为132 g/10 min，230°C）用于制备熔喷非织造布，Ingeo™ 4032D（重均分子量为1.56 × 10⁵ g/mol）用于构建呼吸图案。所有化学试剂和溶剂均来自中国上海化学试剂有限公司，未经纯化直接使用。

3. 制备PLA熔喷非织造布

PLA颗粒在80°C下真空干燥24小时以去除水分，随后通过熔喷机制备非织造布。熔喷工艺参数包括：挤出速度22 g/min，模具温度230°C，热空气温度240°C，热空气压力0.3 MPa，模具到收集器距离15 cm。最终制备的PLA熔喷非织造布（MN）具有45 g/m²的基础重量。

4. 制备PMBP

PMBP的制备通过将PLA熔喷非织造布与呼吸图案结合完成。首先，将PLA颗粒溶解在六氟异丙醇（Hexafluoroisopropanol, HFIP）中，制备不同浓度（0.3 wt%、0.4 wt%、0.5 wt%、0.6 wt%）的PLA溶液。随后，将PLA溶液涂布在玻璃基板上，通过动态呼吸图案过程在不同相对湿度（40%、50%、60%、70%）下形成微孔结构。最后，将湿润的PLA熔喷非织造布与预形成的呼吸图案结合，完成PMBP的制备。

5. 表征与测试

通过扫描电子显微镜（SEM）观察样品的微观结构，测量纤维直径、孔径和横截面厚度。使用旋转粘度计测定溶液粘度，接触角测量仪测定水接触角（WCA）。过滤性能通过滤料测试仪（AFC-131）进行测试，使用电荷中和的氯化钠气溶胶颗粒作为PM污染物，计算压力降（ΔP）和过滤效率（E），并通过质量因子（QF）综合评价过滤性能。

主要研究结果

1. PLA熔喷非织造布的过滤性能

初始制备的PLA熔喷非织造布具有较大的孔径（平均13.2 μm），导致其PM2.5过滤效率较低（59.5%），但压力降较小（25.7 Pa）。

2. 呼吸图案的优化

在优化条件下（PLA浓度0.5 wt%，相对湿度50%），呼吸图案形成了均匀的微孔结构，平均孔径低至1.02 μm。结合大孔PLA熔喷非织造布和小孔呼吸图案，PMBP表现出优异的过滤性能，PM2.5过滤效率达到95.8%，压力降为39.3 Pa。

3. 过滤性能的稳定性

PMBP在长期储存和高湿度环境下仍能保持稳定的过滤性能。在实际烟雾测试中，PMBP在3分钟内去除了超过99%的PM2.5颗粒，且无需依赖静电效应。

4. 自清洁性能

PMBP表现出良好的自清洁性能，尤其是在高湿度环境下仍能保持高效的过滤效果。

结论与意义

本研究通过结合熔喷技术和呼吸图案技术，成功开发了一种具有多层次结构的PLA基非织造布（PMBP），其在无静电效应的情况下仍能保持高效过滤。PMBP的优异性能主要归功于其多层次结构，特别是小孔呼吸图案的引入，显著提升了过滤效率。此外，PMBP在长期储存和高湿度环境下表现出稳定的过滤性能，且具有良好的自清洁能力。

该研究为开发完全生物基、高性能的空气过滤材料提供了新的思路，具有广泛的应用前景，尤其是在空气污染治理和个人防护领域。

研究亮点

  1. 多层次结构设计：通过结合熔喷非织造布和呼吸图案，实现了多尺度孔隙结构的构建，显著提升了过滤效率。
  2. 无静电依赖：PMBP的过滤性能不依赖于静电效应，避免了长期储存中静电衰减的问题。
  3. 稳定性和自清洁性：PMBP在高湿度环境和长期储存中表现出稳定的过滤性能，且具有良好的自清洁能力。
  4. 可降解性：PLA材料的完全可降解性使得该过滤材料对环境友好，符合可持续发展的需求。

其他有价值的信息

本研究还通过理论计算和实验验证，详细探讨了溶剂选择、聚合物浓度和相对湿度对呼吸图案形成的影响，为类似研究提供了重要的参考依据。此外，研究还开发了一种简单、低成本且易于放大的制备工艺，为大规模生产提供了可能性。