高效低阻复合纤维PM2.5过滤膜及静电纺丝制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高效低阻复合纤维PM2.5过滤膜及静电纺丝制备方法，属于新材料技术领域。该复合纤维过滤膜是通过一种简单、节能和易量化生产的静电纺丝方法制备。所制备的复合纤维过滤膜具有比表面积大、孔隙率高和纤维直径可控等优点。该复合纤维过滤膜对空气中PM2.5的过滤效率可达到95%~99.97%，阻力压降为20~300Pa。该复合纤维过滤膜制备方法简单､能耗低，具有过滤效率高和阻力压降低的优点，是一种理想的空气过滤净化材料，可应用于制作N95、N99和N100等口罩和空气净化器等设备。

【技术实现步骤摘要】
一种高效低阻复合纤维PM2.5过滤膜及静电纺丝制备方法
本专利技术属于新材料领域，特别涉及一种高效低阻复合纤维PM2.5过滤膜及静电纺丝制备方法。
技术介绍
空气细颗粒物(PM2.5)是指空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的颗粒物。细颗粒物粒径小，在大气中的停留时间长、输送距离远，且可含大量有毒、有害物质，对大气环境质量和人体健康危害巨大。细颗粒物直径越小，进入呼吸道的部位越深，10μm直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，而2μm以下的细颗粒物则可深入到细支气管和肺泡。进入肺泡后的细颗粒物将直接影响肺的通气功能，使机体容易处在缺氧状态，引发肺炎、气喘和肺功能下降等多种疾病。研究发现，细颗粒物对人体的免疫、婴幼儿的生长发育和神经系统等都有严重影响。因此，生产PM2.5过滤膜具有重要意义。传统的空气过滤材料主要有熔喷纤维、玻璃纤维和纺粘纤维。传统过滤材料由微米级纤维组成，纤维直径大，过滤效率低，不适合用于PM2.5的过滤，而且其生产能耗高。在过滤材料中，使用纳米尺寸的纤维，是新型过滤材料发展的趋势。纳米纤维可通过拉伸、模板合成、相分离、自组装和静电纺丝等制备。静电纺丝是现在唯一可以连续和大量制备纳米纤维的技术。其制备的纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大和长径比大等特点，由其构建的纳米纤维膜具有纳米级的微孔和相互贯通的多孔通道，因此，拥有高孔隙率和良好的空气透过性，在空气过滤
引起广泛关注和应用。本专利技术通过静电纺丝方法制备出多种复合纤维滤膜，用该滤膜作为过滤层具有对空气中PM2.5高达99.97％的过滤效率，而且在85L/min的测试流速下阻力压降低。该复合纤维滤膜制备简单、能耗低，具有过滤效率高和阻力压降低的优点，是一种理想的空气过滤净化材料，可应用于制作N95标准及以上口罩和空气净化器等设备。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种制备方法简单、耗能低和易批量生产(产业化)的复合纤维过滤膜，该复合纤维滤膜对PM2.5具有高过滤效率和低阻力压降优点。将此复合纤维过滤膜作为口罩或空气过滤设备中的主导过滤层，使制作的口罩或空气过滤设备去除PM2.5效率高，保护人们免受PM2.5污染，有效地提高人类生活环境质量。选用适合的聚合物，采用静电纺丝技术，通过调节静电纺丝过程参数，制备出具有对PM2.5高效过滤的复合纤维过滤膜，具体步骤如下：1)纺丝液的配制：将2.04-66.67g聚合物溶解于100g合适的溶剂中，在常温或一定温度水浴中搅拌至聚合物完全溶解，配制成质量分数为2-40％的聚合物溶液。2)静电纺丝过程：将步骤1)中的纺丝溶液加入到储液罐中，进行静电纺丝。首先，在接收电极板上附一层基底层；然后，在发射电极上施加一定电压，接收电极板接地或施加一定反向电压，通过调节正负电压压差、喷丝电极到接收电极间距和环境温湿度等，制备负载不同形貌纳米纤维的复合纤维过滤膜。制备的复合纤维过滤膜经干燥后备用，也可再附上其它基底层，组成由基底层、纳米纤维、基底层构成的复合结构，用于制作N95标准以上的口罩和空气净化器等设备。所述聚合物包含聚酰胺(尼龙-6、尼龙-6,6、尼龙-4、尼龙-6,10和嵌段共聚物聚酰胺等)、聚碳酸酯、聚氨酯、聚氨酯尿素、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜和聚醚砜其中的一种或混合物，以及其改性聚合物。所述溶剂包含水、甲酸、乙酸、三氟乙酸、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二氯乙烷、氯仿、四氢呋喃、丙酮、甲苯、丁酮和异丙醇，或其混合溶剂。所述基底层可为纺粘、针刺或熔喷无纺布。本专利技术的负载纳米纤维的复合纤维滤膜过滤PM2.5的原理如下：根据经典的过滤理论，在纤维过滤材料的稳定阶段，过滤过程中有5种主要的捕捉微粒的机理：拦截效应、惯性沉积、布朗扩散、重力沉降和静电效应。微粒捕捉是几种机理共同作用的结果，其中一种或几种机理起主要作用。静电纺丝纳米纤维直径大小与空气分子的平均自由程相当，当含有细颗粒的气流通过静电纺丝纳米纤维时，气体能在纤维表面发生滑移，通过前后所产生的压力降损失大大减小。通常用品质因数来综合评价过滤介质的过滤性能。品质因数定义为：式中，η代表过滤效率；ΔP代表压力降。纳米纤维过滤介质比起传统的纤维过滤材料拥有较高的过滤效率和较低的阻力压降，即有较高的品质因数。因此，负载纳米纤维的复合纤维过滤膜拥有更好的过滤性能。本专利技术制备方法简单，以纳米纤维作为过滤PM2.5起主导作用的过滤层材料，能够有效提高过滤性能，具有阻力压降低和生产成本低等优点。附图说明图1为实施例1条件下，负载聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)静电纺丝纳米纤维的复合纤维过滤膜(PP纺粘无纺布作为基底层)表面扫描电镜(SEM)图。图2为实施例2条件下，负载聚砜(PSF)静电纺丝纳米纤维的复合纤维过滤膜(PP纺粘无纺布作为基底层)断面SEM图。具体实施方式以下是结合非限定性实施例，对本专利技术作进一步说明。实施例1：称取16.667g的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粉末，加入到含有50g二甲基甲酰胺(DMF)溶剂的100mL锥形瓶中，置于60℃水浴中加热搅拌至溶解，配置成质量浓度为25wt.％的PMMA溶液。设置静电纺丝过程参数：流速为2ml/h，电极间距为15cm，电压差为35kV，纺丝针头内径为0.67mm，将PMMA静电纺丝在无纺布上0.5h，取下烘干，得到负载PMMA纳米纤维的复合纤维过滤膜。用2％NaCl作为气溶胶，测试其过滤效率为99.981％，压降为168Pa。实施例2：称取12.5g的聚砜(PSF)，加入到含有50gDMF溶剂的100mL锥形瓶中，置于60℃水浴中加热搅拌至溶解，配置成质量浓度为20wt.％的透明的PSF溶液。设置静电纺丝过程参数：流速为2ml/h，电极距离为10cm，电压差为30kV，纺丝针头内径为0.67mm，将PSF静电纺丝在无纺布上0.5h，取下烘干，得到负载PSF纳米纤维的复合纤维过滤膜。用2％NaCl作为气溶胶，测试其过滤效率为99.6％，压降为95Pa。上述实施例中，可根据实际操作过程中调整聚合物种类、聚合物浓度、溶剂、静电纺丝过程参数的(电压、距离、流速，纺丝时间等)设定来控制纳米纤维结构，使之纳米纤维膜具有高的过滤效率，低的阻力压降。应当指出，以上实施例仅是本专利技术的非限定例子。显然，本专利技术的技术方案并不限于上述实施例，还可以有许多调整。本领域的技术人员能从本专利技术公开的内容导出的调整，均应认为是本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效低阻复合纤维PM2.5过滤膜及静电纺丝制备方法，其特征在于：其具体步骤如下：纺丝液的配制：将2.04‑66.67 g干燥的聚合物溶解于100 g相应的溶剂中，在常温或一定温度搅拌至聚合物完全溶解，配制成质量分数为2‑40 %的聚合物溶液；静电纺丝过程：将步骤1)中的纺丝溶液加入到储液罐中，进行静电纺丝，首先，在接收电极板上附上一层基底层；然后，在发射电极上施加一定电压，接收电极板接地或者施加一个反向电压；通过正负电压差调节、发射电极到接收电极板距离调整和环境温、湿度控制，制备不同结构和形貌的复合纤维过滤膜。

【技术特征摘要】
1.一种高效低阻复合纤维PM2.5过滤膜的静电纺丝制备方法，其特征在于：其具体步骤如下：在纺丝液的配制过程中，称取12.5g的聚砜，加入到含有50gDMF溶剂的100mL锥形瓶中，置于60℃水浴中加热搅拌至溶解，配置成质量浓度为20w...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑煜铭，吴仁香，陈澍，
申请(专利权)人：福建省贝思达环保投资有限公司，中国科学院城市环境研究所，
类型：发明
国别省市：福建;35