一种LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及空气过滤领域，涉及一种LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料及其制备方法。以LiOH，Nb2O5，SDS和PVDF为原料，通过水热反应合成单畴化铁电相单晶结构的LiNbO3纳米晶体。以DMF为溶剂，与PVDF共混制备纺丝溶液，通过静电纺丝的方法，获得LiNbO3/PVDF复合纳米纤维，用作空气过滤材料。该复合材料具有稳定的电荷存储性能和驻极效果，流阻低、过滤效率高，不仅过滤性能优良，而且对常见的细菌还有抑制和杀灭作用。材料的整个制备过程，工艺流程短，操作简单，对环境友好，成本低廉，在空气过滤领域具有很大的应用前景。

A LiNbO 3/PVDF composite nanofiber electret air filter material and its preparation method

The invention relates to the field of air filtration, and relates to a LiNbO 3/PVDF composite nanofiber electret air filtration material and a preparation method. LiNbO3 nanocrystals with single domain ferroelectric single crystal structure were synthesized by hydrothermal reaction using LiOH, Nb2O5, SDS and PVDF as raw materials. The spinning solution was prepared by blending DMF with PVDF. LiNbO 3/PVDF composite nanofibers were prepared by electrospinning and used as air filter materials. The composite material has stable charge storage performance and electret effect, low flow resistance and high filtration efficiency. It not only has excellent filtration performance, but also inhibits and kills common bacteria. The whole preparation process of the material has the advantages of short process, simple operation, environmental friendliness and low cost. It has great application prospects in the field of air filtration.

【技术实现步骤摘要】
一种LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料及其制备方法
本专利技术涉及空气过滤领域，涉及一种LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料及其制备方法。
技术介绍
随着社会经济的发展和居民生活水平的改善，人们对环境质量的要求也越来越高。近些年来，工业化进程加速发展，随之带来的环境问题也日益突出。空气污染、雾霾已经被作为一种灾害性天气进行预测和报导。其中空气中的粉尘、细菌、病毒和微生物等物质的存在严重影响了环境质量，对人们的身体健康也产生了不良影响。驻极体材料的出现给科学家们带来了信心，驻极体非织造布过滤材料成为过滤效率高且能抑制和杀灭细菌的新型过滤材料之一。驻极体非织造布过滤材料具有低流阻、高效率、长寿命、高集尘能力及节省能源等优点，使得这类气体和空气过滤器研究发展十分迅速。例如广泛应用于亚高效和高效低阻过滤材料，普通中央空调和家用中央空调过滤材料，以及电子工业中的空气过滤等等。目前，日本松下、中国海尔等企业已在生产的空调设备中广泛采用驻极体空气过滤器，以改善和净化环境空气。驻极体材料不仅过滤性能优良，而且对常见的细菌还有抑制和杀灭作用。驻极体灭菌机理是驻极体产生的强静电场和微电子流刺激细菌，使其蛋白质和核酸变异损伤，破坏细菌的表面结构，导致细菌死亡。驻极体用作过滤材料，最初在1976年由J.VanTumhoout等人将切割成小条状的聚丙烯薄膜制成，将这种带电小条加工折皱状态形成驻极体纤维。随后，各种荷电技术以及通过混合不同纤维带电技术等各具特色的带静电过滤器得到了开发和利用。驻极体分为人工驻极体和矿物驻极体，人工驻极体中的电荷通过不同的施加方法，可分为电晕驻极体、热驻极体、辐射驻极体、光驻极体以及磁驻极体等。目前，驻极体材料的研究己跨入了有机材料、无机材料和生物材料的多元化的时代。铌酸锂（LiNbO3）是一种重要的压电铁电材料，在室温时具有六方结构，其空间点群为R3C，在1200℃时出现铁电2顺电相转变。由于铌酸锂具有很高的居里温度、自发极化强度大、机电耦合系数大、机械品质因素高，以及优良的压电、电光、声光、热释电、光折变和非线性光学性等特点，现已广泛应用于光导、光调制、光开关、非挥发存储器、表面声波和二次谐波发生器中，成为电光装置和声表面装置的首选材料之一。随着静电纺丝技术的更新及发展，现已有百余种高聚物可借此制备成纳米纤维。其中，聚偏氟乙烯(PVDF)是静电纺丝工艺中最常用的聚合物原料之一，通常是由其单体二氟乙烯(VDF)进行均聚或共聚而形成的。在静电纺丝工艺中，由于其制备的纳米纤维膜具有耐化学腐蚀性、耐高温性、疏水性、优异的拉伸性能和介电性，因而在电子电器、过滤等方面有着较为广阔的应用潜力。
技术实现思路
本专利技术提出一种LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料及其制备方法，针对现有复合纳米纤维材料的缺点制备出带有电荷，具有低流阻、高效率、长寿命、高集尘能力及节省能源等优点的驻极体空气过滤材料，不仅过滤性能优良，而且对常见的细菌还有抑制和杀灭作用。纤维的平均直径在150nm左右，纳米纤维无纺毡呈三维网状结构，孔径小，曲折连通孔结构，透气性好，可以有效过滤PM2.5以及灰尘、甲醛、花粉、流感病毒等病原微生物。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料，所述驻极体空气过滤材料由LiNbO3纳米晶体和PVDF纳米纤维复合而成，LiNbO3纳米晶体和PVDF纳米纤维的质量比为1：（20-50）。所述LiNbO3纳米晶体呈单畴化铁电相单晶结构，粒径为20-50nm，PVDF纳米纤维的直径为100-200nm，孔隙率为0.20-0.85cm3/g。所述的LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料的制备方法，步骤如下：（1）将LiOH和Nb2O5倒入蒸馏水中，得混合溶液Ⅰ再加入表面活性剂，磁力搅拌10-60min后倒入反应釜内，密封后加热，加热温度为200-300℃，加热时间为12-24h，加热后的溶液分别用蒸馏水和无水乙醇清洗2-5次，清洗后的产物在50-80℃条件下干燥2-5h，得到LiNbO3纳米晶体；（2）向步骤（1）制得的LiNbO3纳米晶体中加入DMF，经磁力搅拌后，再使用超声清洗器进行30-60min超声分散处理，得LiNbO3/DMF分散液；（3）称取一定量的PVDF粉末加入到LiNbO3/DMF分散液中，水浴加热至60-80℃，剧烈搅拌15-24h，至完全溶解并均匀分散，得混合溶液Ⅱ；（4）将步骤（3）得到的混合溶液Ⅱ进行静电纺丝，静电纺丝装置的工作条件为：高压发生器的电压为0-80kV；喷嘴到所述接收基布的距离为10-15cm；喷嘴口径为0.1-10cm；喷出的静电纺丝液流量为0.5-3.0mL/h；接收时间0.5-15min，最终得到LiNbO3/PVDF复合纳米纤维。所述步骤（1）中LiOH和Nb2O5的质量比为（1.0-5.0）:（1.0-4.0），LiOH的浓度为0.1-1.0mol/L。所述步骤（1）中表面活性剂为十二烷基磺酸钠，表面活性剂的添加量为混合溶液Ⅰ的0.1-0.5wt%。所述步骤（2）中LiNbO3/DMF分散液中LiNbO3纳米晶体的质量分数为0.02-0.17wt%。所述步骤（3）中PVDF粉末与LiNbO3/DMF分散液的质量比为1：（1-5）。所述步骤（4）中LiNbO3/PVDF复合纳米纤维的直径为100-200nm，孔隙率为0.20-0.85cm3/g，面密度为1.25-5.0g/m2。与现有的驻极体空气过滤材料及其制备方法相比，本专利技术具有以下优点：（1）本专利技术利用静电纺丝技术，以LiOH，Nb2O5，SDS和PVDF为原料，通过水热反应合成单畴化铁电相单晶结构的LiNbO3纳米晶体，以DMF为溶剂，与PVDF共混制备纺丝溶液，通过静电纺丝的方法，获得LiNbO3/PVDF复合纳米纤维，用作空气过滤材料，该复合纳米材料具有稳定的电荷存储性能和驻极效果，流阻低、过滤效率高，不仅过滤性能优良，而且对常见的细菌还有抑制和杀灭作用，复合纳米纤维的平均直径在150nm左右，纳米纤维无纺毡呈三维网状结构，孔径小，曲折连通孔结构，透气性好，可以有效过滤PM2.5以及灰尘、甲醛、花粉、流感病毒等病原微生物。重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合，综合过滤性能好。（2）本专利技术通过在纺丝过程中引入LiNbO3驻极纳米颗粒来提升PVDF纳米纤维的驻极效果和电荷储存的稳定性，获得了高效低阻的长效驻极空气过滤材料。整个制备过程，工艺流程短，操作简单，对环境友好，成本低廉。（3）本专利技术利用无机驻极体铌酸锂单晶材料的热释电效率高，储电电荷时间长等优点，通过静电纺丝方法得到的LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极空气过滤材料，具有纤维直径细、重量轻、渗透性好、比表面积大和孔隙率高等特点，利用其储存的电荷去吸附大气中的微尘等颗粒物，对粒径没有选择性，而且还具有过滤效率高、节能、抗菌等优点，在大气环境污染严重的情况下，可作为一种有效的空气过滤材料，潜在应用价值巨大。附图说明图1为本专利技术制备的LiNbO3/PVDF复合纳米纤维材料的场发射电镜图片。图2为本专利技术水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料，其特征在于：所述驻极体空气过滤材料由LiNbO3纳米晶体和PVDF纳米纤维复合而成，LiNbO3纳米晶体和PVDF纳米纤维的质量比为 1：（20‑50）。

【技术特征摘要】
1.一种LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料，其特征在于：所述驻极体空气过滤材料由LiNbO3纳米晶体和PVDF纳米纤维复合而成，LiNbO3纳米晶体和PVDF纳米纤维的质量比为1：（20-50）。2.如权利要求1所述的LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料，其特征在于：所述LiNbO3纳米晶体呈单畴化铁电相单晶结构，粒径为20-50nm，PVDF纳米纤维的直径为100-200nm，孔隙率为0.20-0.85cm3/g。3.如权利要求1或2所述的LiNbO3/PVDF复合纳米纤维驻极体空气过滤材料的制备方法，其特征在于步骤如下：（1）将LiOH和Nb2O5倒入蒸馏水中，得混合溶液Ⅰ再加入表面活性剂，磁力搅拌10-60min后倒入反应釜内，密封后加热，加热温度为200-300℃，加热时间为12-24h，加热后的溶液分别用蒸馏水和无水乙醇清洗2-5次，清洗后的产物在50-80℃条件下干燥2-5h，得到LiNbO3纳米晶体；（2）向步骤（1）制得的LiNbO3纳米晶体中加入DMF，经磁力搅拌后，再使用超声清洗器进行30-60min超声分散处理，得LiNbO3/DMF分散液；（3）称取一定量的PVDF粉末加入到LiNbO3/DMF分散液中，水浴加热至60-80℃，剧烈搅拌15-24h，至完全溶解并均匀分散，得混合溶液Ⅱ；（4）将步骤（3）得到的混合溶液Ⅱ进行静电纺丝，静电纺丝装置的工作条件为：高压发生器的电压为...

【专利技术属性】
技术研发人员：何建新，李梦营，邵伟力，刘凡，崔世忠，胡宝继，佑晓露，南楠，孙显强，祁琳雅，熊俊鹏，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：河南,41