TWI807879B

TWI807879B - 奈米纖維薄膜之製作方法

Info

Publication number: TWI807879B
Application number: TW111123720A
Authority: TW
Inventors: 陳華偉; 賴羿宏; 邱求三; 陳韋廷
Original assignee: 國立宜蘭大學
Priority date: 2022-06-24
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2023-07-01
Also published as: TW202400509A

Abstract

本發明係為一種奈米纖維薄膜之製作方法，其步驟包含取一聚醯亞胺、一聚醚碸依據一比值混合，並溶於一N,N-二甲基乙醯胺溶液中，形成一紡絲溶液，取該紡絲溶液，利用一田口實驗設計法調整一電紡參數，並進行一靜電紡絲製程，取得一纖維薄膜，該纖維薄膜具有一孔隙值，最後取該纖維薄膜，利用該田口實驗設計法調整一電暈參數，並進行一電暈放電製程，取得一奈米纖維薄膜，該奈米纖維薄膜具有一靜電值。

Description

奈米纖維薄膜之製作方法

本發明係關於一種方法，特別是一種奈米纖維薄膜之製作方法。

現今工業蓬勃發展對環境造成危害，使得空氣污染成為影響人體健康的危害之一，其中粒狀污染物(particulate pollutants)的產生大部分源自人為，嚴重影響空氣品質。粒狀污染物以懸浮微粒(particulate matter,PM)對環境造成巨大的危害，其中氣動粒徑等於或小於2.5μm的粒狀污染物(PM2.5)的微粒可以穿透呼吸系統，並導致肺部疾病。

如何有效控制空氣污染問題已成為當今社會實現人與自然和諧發展的關鍵問題之一，粒狀污染物與細菌作為空氣污染中兩種污染物，其產生與人類活動有著密不可分的關係，由於人為活動與奈米科技應用的增加，人們暴露於奈米及次微米微粒的機會隨之增加，近年來已有許多研究開始注重在奈米級微粒的過濾。

在多種流行病學的研究已指出空氣污染是影響呼吸，心血管疾病和肺癌等疾病的重要因素，奈米微粒能夠直接進入肺泡甚至穿透肺泡上皮，進而引發肺部炎症，不只單純對呼吸系統，對心血管以及神經系統等都會有所影響。若奈米微粒通過支氣管和肺泡進入血液，其中的有害氣體、重金屬等溶解在血液中，對人體的健康傷害更為嚴重。

而目前常見奈米微粒之分離技術如：靜電集塵法、旋風集塵法、纖維過濾法等等。纖維過濾法具有價格低廉、設置空間小等優點，是去除空氣中奈米微粒最常採用的方法之一，應用領域廣泛，包括呼吸防護、廢水淨化、潔淨室等等。

由於纖維過濾器結構簡單、成本低，成為目前大眾最常使用的空氣淨化方法，一般纖維過濾器使用纖維濾材進行微粒處理，纖維濾材可分為傳統的纖維濾材與奈米纖維，說明如下：

1.傳統纖維濾材(例如：玻璃纖維、熔噴纖維和紡黏纖維)的纖維尺寸是屬於微米級的大小和形成的孔徑也相當大，而且堆積密度難以控制。

2.奈米纖維具有大表面積、小孔徑和高孔隙率等特點，適用於奈米微粒過濾。

奈米纖維製造的方法有模板合成、相分離的分離、熔噴法及靜電紡絲等等，使用靜電紡絲技術可製得次微米到奈米尺寸的纖維，且操作簡單、易進行各種材質纖維製作，該技術已成功應用在各領域。

由於奈米纖維具有製造具有高過濾效率和低氣流阻力的過濾器的潛力，現在人們開始關注奈米纖維，奈米纖維比微米纖維更有效地捕獲懸浮微粒。

在三維奈米纖維結構的研究中，靜電紡絲技術被認為是一簡單且萬用的方法使纖維一層一層堆積，用於在連續過程中生產均勻的超細纖維，由於靜電紡絲具有一些優點，例如：大表面積/體積比、低基重易於控制的孔隙率、相對均勻的纖維尺寸和纖維形態，進而影響懸浮微粒在纖維中的過濾性能，使得靜電紡絲在微粒過濾上，有著低壓降且高過濾性能的特性。

而靜電紡纖維可適用於任何形狀之反應器，方便組裝、更換，並有研究指出靜電紡絲技術所研製奈米纖維具有高孔隙率與高表面附著，易藉由攔截與吸附作用進行次微米到奈米微粒處理。

故，如何製作一種快速攔截粒狀汙染物質，如懸浮微粒或氣動粒子之奈米纖維，為本領域技術人員所欲解決的問題。

本發明之一目的，在於提供一種奈米纖維薄膜之製作方法，其係取聚醯亞胺與聚醚碸混合後，透過田口實驗設計法取得最佳化之靜電紡絲條件製作出纖維薄膜後，再利用田口實驗設計法找出最佳化之纖維薄膜之電暈條件，產出具有高孔隙率、高表面附著力之奈米纖維薄膜。

針對上述之目的，本發明提供一種奈米纖維薄膜之製作方法，其步驟包含取一聚醯亞胺、一聚醚碸依據一比值混合，並溶於一N,N-二甲基乙醯胺溶液中，形成一紡絲溶液，其中，該比值介於0.33至3之間；取該紡絲溶液，利用一田口實驗設計法調整一電紡參數，並進行一靜電紡絲製程，取得一纖維薄膜，該纖維薄膜具有一孔隙值；以及取該纖維薄膜，利用該田口實驗設計法調整一電暈參數，並進行一電暈放電製程，取得一奈米纖維薄膜，該奈米纖維薄膜具有一靜電值。

本發明提供一實施例，其中於利用一田口實驗設計法調整一電紡參數，並進行一靜電紡絲製程之步驟中，包含步驟：將該紡絲溶液由一微量注射裝置射出，於一收集元件上形成該纖維薄膜。

本發明提供一實施例，其中於取該紡絲溶液，利用一田口實驗設計法調整一電紡參數之步驟中，該電紡參數包含一電紡推進速率、一電紡操作電壓以及一電紡紡絲時間。

本發明提供一實施例，其中該電紡推進速路係介於0.1ml/hr至0.2ml/hr之間。

本發明提供一實施例，其中該電紡操作電壓係介於15kV至22.5kV之間。

本發明提供一實施例，其中該電紡紡絲時間係介於20分鐘至60分鐘之間。

本發明提供一實施例，其中於該田口實驗設計法調整一電暈參數之步驟中，該電暈參數包含一電暈操作電壓、一電暈放電距離以及一電暈放電時間。

本發明提供一實施例，其中該電暈操作電壓係介於5kV至30kV之間。

本發明提供一實施例，其中該電暈放電距離係介於5cm至25cm之間。

本發明提供一實施例，其中該電暈放電時間係介於10分鐘至30分鐘之間。

10:紡絲溶液

20:微量注射裝置

22:微量推進器

24:注射器

30:高壓電源供應器

40:收集元件

S10、S20、S20-1、S30:步驟

第1圖：其為本發明之一實施例之製作方法之流程圖；第2圖：其為本發明之一實施例之靜電紡絲之流程圖；第3圖：其為本發明之一實施例之靜電紡絲之系統示意圖；以及第4圖：其為本發明之一實施例之奈米纖維薄膜之實驗結果圖。

為使貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

習知工業蓬勃發展對環境造成危害，使得空氣污染成為影響人體健康的危害之一，其中粒狀污染物(particulate pollutants)的產生大部分源自人為，嚴重影響空氣品質。粒狀污染物以懸浮微粒(particulate matter,PM)對環境造成巨大的危害，其中氣動粒徑等於或小於2.5μm的粒狀污染物(PM2.5)的微粒可以穿透呼吸系統，並導致肺部疾病。

因此，本發明取聚醯亞胺與聚醚碸混合後，透過田口實驗設計法取得最佳化之靜電紡絲條件製作出纖維薄膜後，再利用田口實驗設計法找出最佳化之纖維薄膜之電暈條件，產出具有高孔隙率、高表面附著力之奈米纖維薄膜。

在下文中，將藉由圖式來說明本發明之各種實施例來詳細描述本發明。然而本發明之概念可能以許多不同型式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。

首先，請參閱第1圖，其為本發明之一實施例之製作方法之流程圖，如圖所示，於本實施例中，步驟如下：步驟S10：取聚醯亞胺、聚醚碸依據比值混合，並溶於N,N-二甲基乙醯胺溶液中，形成紡絲溶液；步驟S20：取紡絲溶液，利用田口實驗設計法調整電紡參數，並進行靜電紡絲製程，取得纖維薄膜，纖維薄膜具有孔隙值；以及步驟S30：取纖維薄膜，利用田口實驗設計法調整電暈參數，並進行電暈放電製程，取得奈米纖維薄膜，奈米纖維薄膜具有靜電值。

於本實施例中，如步驟S10至步驟S20所示，取一聚醯亞胺((Polyimide,PI)，Alfa，試藥級)、一聚醚碸((Polyether sulfone,PES)，BASF，試藥級)依據一比值混合，並溶於一N,N-二甲基乙醯胺((Dimethylacetamide,DMAc)：Acros Organics，試藥級)溶液中，形成一紡絲溶液10，取該紡絲溶液，利用一田口實驗設計法調整一電紡參數，並進行一靜電紡絲製程，取得一纖維薄膜，其中該纖維薄膜之一耐熱溫度係介於1℃至500℃之間，其中該纖維薄膜之一孔隙值為20微米至200微米之間。

其中，該紡絲溶液10之該比值介於0.33至3之間。

其中，該電紡參數包含一電紡推進速率、一電紡操作電壓以及一電紡紡絲時間。

其中，該電紡推進速率係介於0.1ml/hr至0.2ml/hr之間，該電紡操作電壓係介於15kV至22.5kV之間，該電紡紡絲時間係介於20分鐘至60分鐘之間。

進一步，於本實施例中，該田口實驗設計法調整該電紡參數之表如下表一。

於本實施例中，藉由以該聚醯亞胺和該聚醚碸比例、該電紡推進速率、該電紡操作電壓以及該電紡紡絲時間四項控制因子(factors)，配置三水準(level)之直交表，選用田口直交表直交表來配置本實驗的實驗因子及水準，並將本實驗的參數及水準填入田口直交表中，如表二。

藉由田口直交表規劃出9個實驗，利用望大分析法分析最大過濾品質，再利用望小分析法分析最小纖維直徑，得到不同參數的實驗數據，並將實驗數據代入計算出直交表之S/N值，根據結果計算各因子在不同水準下的S/N平均值，找出效應最大的主因子得到最佳組合，利用確認實驗驗證預估值的最佳化設定。

請參考第2圖，其為本發明之一實施例之靜電紡絲之流程圖，如圖所示，於利用該田口實驗設計法調整該電紡參數，並進行該靜電紡絲製程，取得該纖維薄膜，該纖維薄膜具有該孔隙值之步驟中，更進一步包含步驟：

步驟S20-1：將紡絲溶液由微量注射裝置射出，於收集元件上形成纖維薄膜。

於步驟S20-1中所揭示，該靜電紡絲製程係使用一靜電紡絲裝置((Electro-spinning equipment)，鴻隼企業有限公司，FES-COS)，其係包含有一微量注射裝置20、一高壓電源供應器30以及一收集元件40，其中，該微量注射裝置20包含有一微量推進器22以及一注射器24。

而該靜電紡絲製程的原理，其係將聚合物溶液裝載在具有不銹鋼針的注射器(該注射器24)中，並且把該高壓電源供應器30(正極)連接到該注射器24上，在該收集元件40接上負極，同時該高壓電源供應器30會給予聚合物溶液電荷吸引力，此時在該注射器24的前端會受到電荷吸引力與聚合物溶液的表面張力互相作用，當電荷吸引力與表面張力達到平衡後，該注射器24的前端會形成泰勒錐，當電荷吸引力大於表面張力時就會形成很多的連續射流，由於每個射流都帶有正電荷會造成鞭動現象(Whipping)，在紡織過程中會因為鞭動現象造成射流會有上下擺動的現象，同時使溶劑揮發，使射流固化並在收集器上形成該纖維薄膜。

最後，於本實施例中，如步驟S30所示，取該纖維薄膜，靜電值利用該田口實驗設計法調整一電暈參數，並進行一電暈放電製程，取得一奈米纖維薄膜，該奈米纖維薄膜具有一靜電值，該靜電值於電暈田口之部分為5KV至25KV之間，表面電位之部分為0.05KV至1.85KV。

其中，該電暈參數包含一電暈操作電壓、一電暈放電距離以及一電暈放電時間。

進一步，於本實施例中，該電暈操作電壓係介於5kV至30kV之間，該電暈放電距離係介於5cm至25cm之間，該電暈放電時間係介於10分鐘至30分鐘之間。

於本實施例中，該電暈放電製程係將該纖維薄膜放置於靜電紡絲機中，藉由將該纖維薄膜進行放電，使得該纖維薄膜表面帶電，並測試其帶電性能與過濾性質，且該電暈放電製程藉由該田口實驗設計法調整該電暈操作電壓、該電暈放電距離以及該電暈放電時間三個條件，配置三水準的田口交直表，如表三。

選用田口直交表來配置本實驗的實驗因子及水準，並將本實驗的參數及水準填入直交表中，如表四。

藉由表四規劃出之9個實驗，利用望大分析法分析過濾品質並得到不同參數的實驗數據，後將實驗數據代入計算出直交表之S/N值。根據結果計算各因子在不同水準下的S/N平均值，找出效應最大的主因子，得到最佳組合，利用確認實驗驗證預估值的最佳化設定。

因此藉著針對該纖維薄膜進行該電暈放電製程後，可以取得該奈米纖維薄膜，該奈米纖維薄膜具有具高過濾性能、耐高溫且細菌阻擋能力佳的奈米纖維膜，對於應用在工業廢氣或者醫療口罩上，其優異的性能都能符合其特殊的條件。

接著，於此係舉上表四內之第五組實驗，作為實際範例進行說明。

1.靜電紡絲之條件：

該聚醯亞胺及該聚醚碸之比例為50：50。

該電紡推進速率為0.15ml/hr。

電紡操作電壓為22.5kV。

該電紡紡絲時間為20分鐘。

由上述條件取得之該纖維薄膜之該孔隙值為20微米至200微米之間。

經由上述該靜電紡絲製程之條件製造獲得過濾品質最高2.9Pa^-1之纖維薄膜，詳細實驗條件如表五，實驗實際結果請參考第4圖，其為本發明之一實施例之奈米纖維薄膜之實驗結果圖，如圖所示，係以SEM進行拍攝確認，SEN拍攝條件為：SEM MAG：5.00，HV：10.0KV，VAC：HiVac。

如表五所示，最佳條件為聚醯亞胺和聚醚碸的比例為50：50、推進速率為0.15ml/hr、操作電壓為22.5kV以及電紡時間為20分鐘，表五中所製備所得之纖維薄膜能有效過濾20-500nm粒狀汙染物。

2.電暈放電之條件：

該電暈操作電壓為25kV。

該電暈放電距離為23公分。

該電暈放電時間為60分鐘。

由上述條件取得之該奈米纖維薄膜之該靜電值為20KV±5KV。

其中，以上述的該靜電紡絲製程製得之該纖維薄膜，透過該電暈放電製程後，會使該奈米纖維薄膜表面帶電，且透過表面帶電使其可以進一步吸附有害物質。

再者，於現有習知可使該奈米纖維薄膜表面帶電之方式有大氣電漿法，然而，大氣電漿法雖然可以使該奈米纖維薄膜表面帶電，但由於此種方法會破壞該奈米纖維薄膜之表面結構，而導致該奈米纖維薄膜之過濾性能下降，因此，本發明藉由使該奈米纖維薄膜表面帶電之該電暈放電製程優於大氣電漿法。

又，該聚醯亞胺與該聚醚碸所製成製該奈米纖維薄膜，於500℃的高溫時才會產生熱降解400℃時才會開始有放熱峰，相比現在市面上很多過濾膜是沒有耐高溫的優點，而熱氣過濾通常是指溫度高於260℃以上進行過濾，因此，後續可以將該奈米纖維薄膜應用於260~500℃的熱氣過濾。

以上所述之實施例，本發明之方法，其製作一種奈米纖維薄膜，其係取該聚醯亞胺與該聚醚碸混合後，透過該田口實驗設計法取得最佳化之該電紡參數製作出該纖維薄膜後，再利用該田口實驗設計法找出最佳化之該纖維薄膜之該電暈放電條件，產出具有高孔隙率、高表面附著力之奈米纖維薄膜。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

S10、S20、S30:步驟

Claims

一種奈米纖維薄膜之製作方法，其結構包含：取一聚醯亞胺、一聚醚碸依據一比值混合，並溶於一N,N-二甲基乙醯胺溶液中，形成一紡絲溶液，其中，該比值介於0.33至3之間；取該紡絲溶液，利用一田口實驗設計法調整一電紡參數，並進行一靜電紡絲製程，取得一纖維薄膜，該纖維薄膜具有一孔隙值；以及取該纖維薄膜，利用該田口實驗設計法調整一電暈參數，並進行一電暈放電製程，取得一奈米纖維薄膜，該奈米纖維薄膜具有一靜電值。
如請求項1所述之奈米纖維薄膜之製作方法，其中於利用一田口實驗設計法調整一電紡參數，並進行一靜電紡絲製程之步驟中，包含步驟：將該紡絲溶液由一微量注射裝置射出，於一收集元件上形成該纖維薄膜。
如請求項1所述之奈米纖維薄膜之製作方法，其中於取該紡絲溶液，利用一田口實驗設計法調整一電紡參數之步驟中，該電紡參數包含一電紡推進速率、一電紡操作電壓以及一電紡紡絲時間。
如請求項3所述之奈米纖維薄膜之製作方法，其中該電紡推進速率係介於0.1ml/hr至0.2ml/hr之間。
如請求項3所述之奈米纖維薄膜之製作方法，其中該電紡操作電壓係介於15kV至22.5kV之間。
如請求項3所述之奈米纖維薄膜之製作方法，其中該電紡紡絲時間係介於20分鐘至60分鐘之間。
如請求項1所述之奈米纖維薄膜之製作方法，其中於該田口實驗設計法調整一電暈參數之步驟中，該電暈參數包含一電暈操作電壓、一電暈放電距離以及一電暈放電時間。
如請求項7所述之奈米纖維薄膜之製作方法，其中該電暈操作電壓係介於5kV至30kV之間。
如請求項7所述之奈米纖維薄膜之製作方法，其中該電暈放電距離係介於5cm至25cm之間。
如請求項7所述之奈米纖維薄膜之製作方法，其中該電暈放電時間係介於10分鐘至30分鐘之間。