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Experimentelle Forschung zur Verbesserung der Leistung von Masken durch Elektrospinnen von Polymilch

2023-02-01

In den letzten Jahren ist aufgrund des häufigen Auftretens von Smogwetter das Bewusstsein der Menschen für den Schutz vor einatembarem Feinstaub in der Umwelt allmählich gestiegen, und die Verwendung von Schutzmasken wird insbesondere für diejenigen, die operieren, sehr geschätzt in einigen speziellen Umgebungen. Das Tragen von Schutzmasken ist zur letzten Verteidigungslinie zum Schutz der Gesundheit der Arbeitnehmer geworden.

Die selbstansaugenden Anti-Partikel-Masken KN90 und KN95 sind derzeit die meistverkaufte persönliche Schutzausrüstung. Das Kernfiltermaterial ist schmelzgeblasener Elektret-Vliesstoff, und der Faserdurchmesser liegt im Mikrometerbereich [3-4]. Die Filtrationseffizienz der beiden oben genannten Masken für Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 0,3 μm beträgt mehr als 90 % bzw. 95 % und ihre Effizienz erfüllt die Anforderungen von Atemschutzausrüstung, selbstansaugend, staubfrei filterndes Atemschutzgerät. (GB 2626 —2006)[5]Bedarf. Studien haben gezeigt, dass die Filtrationseffizienz umso höher ist, je feiner der Durchmesser des Fasermaterials ist [6-7]. Das Elektrospinnen als Verfahren zur Herstellung ultrafeiner Fasern [8] hat große Aussichten, die Filtrationsleistung von Fasermaterialien zu optimieren.

In Elektrospin-Experimenten wird üblicherweise eine flache Elektrode als Empfangssubstrat verwendet, um eine Fasermembran mit einer gleichmäßigen Oberflächenstruktur zu erhalten. Effizienz und Widerstandsfähigkeit der durch dieses Verfahren erhaltenen Nanomembran sind schwer abzuwägen. Um eine Nanomembran mit höherer Effizienz zu erhalten, ist der Widerstand höher; Wenn es darum geht, einen geringeren Widerstand zu erreichen, d. h. eine bessere Atmungsaktivität, ist die Effizienz nicht zufriedenstellend.

Um eine Nanomembran mit hoher Effizienz und geringem Widerstand zu erhalten, die für den Einsatz im Bereich der Maskenfiltration geeignet ist, verwenden wirDieses Experiment riecht Polymilchsäureharzpartikel als rohe Spinnmaterialien und bereitet eine Struktur vor, indem die unebene Filtermembran des empfangenden Substrats verbessert wird, um sowohl Effizienz als auch Widerstand zu erreichen. Unter Verwendung dieser Methode wurden Nanomembranen mit unterschiedlichen Flächengewichten entwickelt und hergestellt, und die hergestellten Nanomembranen wurden auf KN90- und KN95-Masken aufgebracht, um die Änderungen in der Filtrationsleistung von Masken zu untersuchen, die mit unterschiedlichen Flächengewichten beschichtet sind. Unter Berücksichtigung des nationalen Standards, des Tragekomforts des Personals und des Qualitätsfaktors des Filtermaterials der Maske werden diese Faktoren gesucht, um die beste Grammatur-Nanomembran zu finden, um die Leistung der Maske zu verbessern.

1 Testplan

1.1 Testmaterialien und Spinnen Herstellung der Seidenlösung

Die Testmaterialien sind Polymilchsäureharzpartikel (importiert, das Gewichtsmittel relative MolECU-Masse ist 1×105), CH2Cl2 (einheimisch, analysenrein), C3H7NO (einheimisch hergestellt, analysenrein).

Herstellung der Spinnlösung: Nach dem Einwiegen einer bestimmten Menge Polymilchsäureharzpartikel und eines gemischten Lösungsmittels aus Dichlormethan und Dimethylformamid mit einem Massenverhältnis von 9:1. Nach Rühren bei Raumtemperatur (20°C) für 6 Stunden wurde es 8 Stunden stehengelassen.

1.2 Herstellung einer Nanomembran mit ungleichmäßiger Struktur

Das in diesem Experiment verwendete elektrostatische Lösungsspinnen Seidenausrüstung ist eine automatische Spinnmaschine DXES-01. Ein schematisches Diagramm seiner Struktur ist in Abbildung 1 dargestellt.

Um eine Nanomembran mit hoher Effizienz und geringem Widerstand zu erhalten, können Sie vollständig gesammelt und gesammelt werden In dem Prozess verwendet, basierend auf der Idee, dass die Struktur die Natur bestimmt, wurde die Maschenelektrode entwickelt, um auf die Trommel als Aufnahmesubstrat gewickelt zu werden. DieDie Leitfähigkeit verschiedener Teile auf der formaufnehmenden Elektrode ist unterschiedlich, sodass die Richtung der Faser zwischen der Walze und der Nadel selektiv ist, wodurch eine Nanomembran mit einer ungleichmäßigen Struktur hergestellt und der Zweck erreicht wird, den Widerstand des Nano zu verringern. Membran. Wenn die Netzelektrode als Empfangssubstrat verwendet wird, wird die Schleuderzeit als Variable im Test verwendet, die 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 bzw. 2,5 Stunden beträgt, und das Flächengewicht beträgt 0,56, 1,00, 1,60, 2,20 , 2,90 g/m 2 Nanofilm.

Durch eine Vielzahl von Vorversuchen wurde die Spannung dieses Tests auf 21 kV ermittelt, der Massenanteil der Spinnlösung betrug 10 % (das Massenverhältnis von Lösungsmittel CH2Cl2 und verwendetes C3H7NO betrug 9:1), der Durchmesser der Spinndüse beträgt 0,6 mm, die Vortriebsrate der Lösung beträgt 1 ml/h, die Temperatur der Spinnumgebung beträgt (15 ± 3) °C und die relative Luftfeuchtigkeit ist RH (20 ±5) %.

1.3 Leistungstest van Nanomembranen

Unter Verwendung des DinoCapture-Systemmikroskops zur Beobachtung verschiedener Verdrehungen Die Morphologie und Struktur der im Laufe der Zeit erhaltenen Nanomembran; Verwenden Sie das Ultra Plus-Typ-Feldemissionsanalyse-Rasterelektronenmikroskop, um die Nanomembran-Fasermorphologie zu beobachten, und verwenden Sie die Image-J-Software, um nur 100 Fasern für die Durchmesseranalyse kantenzuselektieren; Verwenden Sie die Methode der zufälligen Punkte, um die Feldemissionsanalyse vom Typ Ultra Plus anzuwenden. Ein Rasterelektronenmikroskop wurde verwendet, um die gesponnene Nanomembran durch EDS zu analysieren; Der statische XG-CAME-Kontaktwinkelanalysator wurde verwendet, um den Wasserkontaktwinkel der Nanomembran durch Fünfpunktanalyse zu testen.

Für die Nanomembranen, die bei unterschiedlichen Spinnzeiten gesponnen wurden, um die KN90- bzw. KN95-Masken dicht zu bedecken, wurden die filmbeschichteten und nicht gewebten Stoffe mit dem US-amerikanischen TSI8130-Verkaufsautomaten getestet Prüfgerät für Filtermattenerial. Filtrationseffizienz bei statischem Differenzdruck und Filtration von filmbeschichteten Masken. Beim TSI8130-Test bestand das Testaerosol aus NaCl-Partikeln mit einem massenmittleren Durchmesser von 0,26 μm und die geometrische Standardabweichung war kleiner als 1,83.

2 Morphologische Struktur- und Faserdurchmesseranalyse der präparierten Nanomembran

Im Einsatz Das Netz - Elektrode wird als Empfangsgerät verwendet, und die Struktur und Form der Nanomembran wird unter verschiedenen Schleuderzeiten

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sind wie folgt in Abbildung 2.


Die Fotos des Bildungsprozesses des Polymilchsäurefilms, aufgenommen unter einem leistungsstarken Mikroskop , zeigen, dass im Anfangsstadium die Poren auf der Netzelektrode sind. Es gibt wenige Fasern, und die Fasern werden hauptsächlich auf dem Netz abgelagert, was zu einer ungleichmäßigen Gewichtsverteilung des Polymilchsäurefilms führt, dh der Faser auf dem gKöder ist schwer, was eine zystische Struktur hat, und der Porenteil hat ein geringes Gewicht, was eine labyrinthische Netzwerkstruktur zeigt. Der Hauptgrund für diese ungleichmäßige Struktur besteht darin, dass der Maschendraht aus rostfreiem Stahl eine bessere Leitfähigkeit aufweist, die lokale Feldstärke stärker ist und die Leitfähigkeit des Porenteils schwächer ist. Dann nahm mit zunehmender Schleuderzeit die Dicke der Nanomembran auf dem Edelstahlfilter allmählich zu, und der Unterschied in der Leitfähigkeit der Aufnahmefläche wurde weniger offensichtlich, wodurch die Inhomogenität der Nanomembranstruktur weniger offensichtlich wurde.

In diesem Experiment haben die gesponnenen Nanofasern aufgrund der relativ stabilen Kontrolle verschiedener Parameter während des Spinnprozesses keine offensichtliche Haftung oder Perlenbildung, und der Durchmesser der erhaltenen Nanofasern ist es relativ einheitlich. Die Verteilung liegt zwischen 100 und 400 nm; Die dickste Faser ist 888 nm, die dünnste 111 nm und der durchschnittliche Durchmesseres gibt 335nm.

Die Analyse der Morphologie und des Durchmessers von Polymilchsäurefasern ist in Abbildung 3 und Abbildung 4 dargestellt.

3 Praktische Analyse der Anwendungsleistung von inhomogenen Nanomembranen

3.1 EDS-Analyse von Nanomembranen

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Da die beim Spinnen verwendeten Lösungsmittel CH2CL2 und C3H7NO beides organische Lösungsmittel sind, kann das Tragen einer Maske mit dieser Nanomembran für die oben genannten Substanzen die Gesundheit des Benutzers beeinträchtigen. Daher ist es notwendig, die Zusammensetzung der Nanomembran zu analysieren. Das Spektrum der EDS-Analyse ist in Abbildung 5 dargestellt.

Wie aus dem Peak-Spektrum ersichtlich ist, weist das Spektrum insgesamt 3 Peaks auf, die sind Kohlenstoff, Sauerstoff und Gold (unmarkiert), davon goldhaltig, da die Oberfläche der Probe vor der Analyse mit Gold besprüht werden muss. Das Spektrogramm zeigt kein Chlor- und Stickstoffelemente, was darauf hindeutet, dass das CH2Cl2 und C3H7NO in der Spinnlösung vollständig und rückstandslos verdunsten, sodass die in diesem Experiment hergestellte Nanomembran für den menschlichen Körper unbedenklich ist.

3.2 Hydrophobe Leistung der Nanomembran

Beim Tragen einer Maske, insbesondere im kalten Winter, Da beim Ein- und Ausatmen des Zyklus Wassertröpfchen entstehen, die die Filtrationsleistung der Maske und die Komfortanforderungen der Maske beeinträchtigen, sollte das hervorragende Maskenmaterial bereits bessere hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Da Polymilchsäure selbst eine große Anzahl hydrophober Gruppen (seitenständige Methylgruppen) enthält und hydrophile Gruppen fehlen, zeigt sie eine bessere Hydrophobie. Der Wasserkontaktwinkel der hergestellten Polymilchsäure-Nanomembran wurde viele Male gemessen, und der durchschnittliche Kontaktwinkelwinkel betrug 132,97°, was eine sehr gute hydrophobe Leistung zeigte. Die Bilder des Kontaktwinkelexperimentsment der PLA-Folie sind in Abb. 6.

3.3 Filtrationsleistung filmbeschichteter Masken

Ja Die auf dem Markt gekauften KN90- und KN95-Masken sind zu unterschiedlichen Wendezeiten mit Nanomembranen bedeckt; und die Effizienz und Widerstandsfähigkeit von mit Nanomembranen bedeckten Masken und Masken ohne Nanomembranen werden mit TSI8130 getestet und die Produktqualität berechnet. Primfaktor. Der Qualitätsfaktor Q ist definiert als

Aus Abbildung 7 und Abbildung 8 ist ersichtlich, dass der Widerstand von KN90- und KN95-Masken vor der Beschichtung 100,29 beträgt Pa, 159,25 Pa, der Wirkungsgrad beträgt 93,61 % bzw. 96,74 %; und bei Beschichtung mit einem Nanofilm mit einem Flächengewicht von 0,56 g/m2 steigen die Wirkungsgrade auf 97,64 % bzw. 99,07 % und der spezifische Widerstand steigt auf 113,03 Pa und 164,15 Pa; der Qualitätsfaktor erhöhte sich jeweils von 0,0274, 0,0215 auf 0,0331, 0,0285; die Effizienz zeigte eine deutliche Steigerung und das WetterDer Standgewinn war sehr klein, was die hohe Effizienz und den geringen Widerstand des Nanofilms widerspiegelt. Mit zunehmender Schleuderzeit wird die gesponnene Nanomembran hinter der Maske bedeckt, und die Effizienzsteigerung nimmt allmählich ab und der Widerstand nimmt allmählich zu. Mit der Zeit wird es allmählich weniger offensichtlich. Unter Berücksichtigung der Anforderungen der nationalen Norm, des Tragekomforts einer Maske, des Qualitätsfaktors und der Zeitersparnis usw. für die in diesem Test untersuchten KN90- und KN95-Masken, wenn das Flächengewicht der gesponnenen Polymilchsäure-Nanomembran 1 beträgt bzw. 0,56 g/m2 der Beschichtung Die Effizienz vor und nach der Membran stieg von 93,61 % bzw. 96,74 % auf 98,83 % bzw. 99,07 %; während die Erhöhung des Widerstands gering war; der Qualitätsfaktor stieg von 0,0274, 0,0215 auf 0,033, 0,0285; Die Filtrationsleistung der Originalmaske wurde stark verbessert.

4 Fazit

(1) Wenn die Maschenelektrode als Empfangsgerät verwendet wird, weist die gesponnene Nanomembran die Eigenschaften einer horizontalen Ungleichheit im Grammgewicht auf, und diese Ungleichheit wird allmählich weniger offensichtlich als die Die Schleuderzeit wird länger.

(2) Die Fasermembran mit inhomogener Struktur, hergestellt durch Elektrospinnen von Polymilchsäurelösung, hat einen durchschnittlichen Durchmesser einer einzelnen Faser von 335 nm und einen Faserdurchmesser. Die Größe liegt hauptsächlich zwischen 100 und 400nm. Darüber hinaus weist die Nanomembran mit einem Wasserkontaktwinkel von 132,97° eine sehr gute Wasserabweisung auf; Auf der Nanomembran verbleiben keine für den menschlichen Körper schädlichen Substanzen und sie kann sicher auf Masken aufgetragen werden.

(3) Wenn die Nanomembranen mit Schleudergewichten von 1,0 g/m2 bzw. 0,56 g/m2 auf KN90- bzw. KN95-Masken aufgetragen werden, wird das Filtermaterial der Masken The Qualitätsfaktor wird erhöht en Die Filtrationsleistung der Maske wird verbessert, was die Vorteile der hocheffizienten Nanomembran mit niedrigem Widerstand widerspiegelt.



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