室内净化：口罩抗菌性能及空气过滤性能探究

图3-34　（a）细菌气溶胶发生仪器及N100级口罩的抗菌性能测试；（b）该口罩上的三个选定测试区及（c）相应区域的大肠杆菌菌数；（d）不同风速下BDCA-RNMs的过滤性能

众所周知，人一天当中大部分时间都是在室内度过，因此，室内空气的质量对于人体健康而言尤为重要，尤其是当空气中存在负离子时，一方面能够还原氮氧化物、中和带正电的粉尘；另一方面能够合成和储存维生素，增强人体的免疫力［86-88］。目前市场上具有负离子释放功能的空气净化器的核心功能层多为微米级材料，存在过滤性能低的缺陷，因此开发具有负离子释放功能的纳米纤维空气过滤材料可有效避免室内空气污染带来的危害，促进身体健康。

在此研究中，分别在PVDF、PVB、PSU纺丝原液中加入8wt%的负离子粉（NIPs），基于空气滑移效应原理制备出了具备负离子释放功能的PSU/NIPs-8、PVB/NIPs-8和PVDF-18/NIPs-8纤维膜，以揭示聚合物结构对负离子释放量的影响规律，在误差允许的范围内，其纤维直径处于同一水平，其制备过程和负离子产生原理如图3-35（a）所示［89］。在负离子粉晶区电势差的诱导下，空气被电离。其中高压作用下的电子与水分子接触，从而诱导水分子转变为负离子。

从图3-35（b）中可以看出，在相同克重下，PVDF-18/NIPs-8纤维膜的负离子释放量最高，这是因为PVDF具有很强的电负性，进一步加强了负离子粉晶区电势的差异化程度。然而PSU中含有非极性的苯环和磺酰基，不会对负离子粉晶区电势差异产生影响，因此PSU/NIPs-8纤维膜的负离子释放量最少。从图3-35（c）中可以看出PVDF-18/NIPs-8纤维膜的表面电势最高，说明PVDF的强电负性有助于形成电势的差异化。各纤维膜的过滤性能如图3-35（d）所示，可以看出三种纤维膜的过滤效率处于同一水平，但是PVDF-18/NIPs-8纤维膜的阻力压降最小，这是因为在纺丝过程中，PVDF的强电负性使得聚合物流体受到更大的库仑斥力，从而得到孔隙率更大的纤维膜。所以PVDF-18/NIPs-8纤维膜的QF值最高，过滤性能最好。综合考虑负离子释放量和过滤性能，选取PVDF作为纺丝原料进行接下来的研究。

聚合物对负离子的释放具有一定的屏蔽作用，因此进一步考察了纤维直径对负离子释放量的影响规律。如图3-36（a）所示，可以发现当纤维直径从0.71μm下降到0.39μm时，负离子释放量逐步上升，说明聚合物含量的减少有助于负离子的释放，但是当直径进一步降低时，负离子释放量却显著下降，这是因为纤维膜中出现了珠粒纤维，而大多数的负离子粉被包裹在珠粒中。从图3-36（b）中可以看出随着克重的增加，PVDF-14/NIPs-8纤维膜的负离子释放量的增长趋势最为显著，这是因为直径小的聚合物纤维对负离子的释放过程几乎不产生影响。图3-36（c）展示了不同纤维直径的PVDF/NIPs-8纤维膜对300nm粒径NaCl气溶胶颗粒的过滤性能，可以发现PVDF-16/NIPs-8纤维膜的过滤效率最高，这是因为其纤维直径较PVDF-18/NIPs-8纤维膜和PVDF-20/NIPs-8纤维膜的纤维直径小。而PVDF-14/NIPs-8纤维膜中会存在珠粒结构，导致其过滤效率低于PVDF-16/NIPs-8纤维膜。另外，由于PVDF-16/NIPs-8纤维膜孔径较小而导致其阻力压降较大，然而经计算可得PVDF-16/NIPs-8纤维膜的QF值最大，因此PVDF-16/NIPs-8纤维膜的过滤性能最好。随后继续考察了负离子粉含量对纤维膜负离子释放量和空气过滤性能的影响，研究发现当负离子粉的含量为12wt%时，纤维膜具有最高的负离子释放量和最优的过滤性能。(www.xing528.com)

图3-36　具有不同（a）纤维直径和（b）克重的PVDF/NIPs-8纤维膜的负离子释放量；（c）具有不同纤维直径的PVDF/NIPs-8纤维膜的过滤效率和阻力压降；（d）PVDF/NIPs-12纤维膜的负离子释放量和PM2.5过滤性能的长时间测试

从图3-36（d）中可以看出，经过一系列材料结构最优化设计后所制备得到的PVDF-16/NIPs-12纤维膜的负离子释放量可达2818个/CC，且连续使用600min之后仍然能够维持较高的负离子释放量。此外，对其进行PM2.5循环负载测试，在600min内过滤效率能长期保持在99%以上，将PM2.5从500μg/m3降至35μg/m3仅需要13min。