一种高效空气过滤复合纳米纤维膜及其制备方法技术

一种高效空气过滤复合纳米纤维膜及其制备方法，属于膜分离技术领域。将ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种高效空气过滤复合纳米纤维膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于膜分离
，具体涉及一种高效空气过滤复合纳米纤维膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]静电纺丝膜的空气过滤性能主要取决于纳米纤维的基本结构和各项性质，基于单一聚合物溶液的静电纺空气滤膜通常不会有过于出色的空气过滤性能，(如：过滤效率、压降和透气性)或者缺少其他必要的膜性能(如：机械性能、热稳定性、抗菌性能等)，通过对空气过滤膜进行改性可以使其具备高过滤效率和其他属性和功能。例如：通过将电纺纳米纤维与纳米粒子相结合制备多层结构或者制备多层空气滤膜来改善空气过滤性能。通过添加抗菌剂制备具有抗菌特色的空气滤膜以及开发热稳定性好、可生物降解的空气滤膜。开发具有高效空气过滤兼具热稳定性的新型复合膜是膜分离领域的一项重要课题。
[0003]金属有机骨架(MOF)材料是一种有机
‑
无机杂化材料，是由有机配体与金属离子或金属簇在一定条件下产生配位键而形成的，其具备比表面积大、孔隙率高、易于官能化、良好的热化学稳定性以及结构可调控等优点，已广泛的应用在吸附和催化等领域。ZIF
‑
8纳米晶体可在温和的条件下合成其直径通常在100nm左右，比表面积高达1880m2/g，孔结构发达，具有高表面电荷。MOF材料作为一种新型的多孔有机
‑
无机杂化材料，其不平衡的金属离子或捕获位点可用于PM捕获。MOF材料和过滤器基材之间的适当负载、高兼容性以及MOF在基材中的良好分散性对于滤材的使用寿命，可重复使用性，低压降和降低成本至关重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的关键技术问题在于，提供一种PEI/ZIF
‑
8纳米纤维复合膜的制备方法，使所制备的纳米纤维复合膜对PM
2.5
和PM
10
具有出色PM过滤性能的同时具备在200℃下的热稳定性和水接触角为136
°
的强大疏水性。
[0005]本专利技术通过一步静电纺丝法直接制备PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜，其特征在于将ZIF
‑
8纳米晶体掺杂在PEI纺丝液中，通过静电纺丝技术制备出的复合纳米纤维的形貌结构发生了变化，纤维直径明显降低，纳米纤维的表面出现了许多纳米级凸起，纤维表面的粗糙度明显增加，并且ZIF
‑
8纳米晶体的添加能显著提高比表面积提高吸附能力，显著提高了空气过滤性能。
[0006]一种高效空气过滤复合纳米纤维膜，其特征在于，PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜中的纤维是通过将ZIF
‑
8纳米晶体负载到PEI纳米纤维中得到复合纳米纤维，在复合纳米纤维的表面产生纳米级凸起，表面粗糙度增加，比表面积增大，PEI和ZIF
‑
8之间构建了微纳尺度的异质结分层结构；PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜负载在聚丙烯无纺布上。
[0007]ZIF
‑
8纳米晶体以内含式和镶嵌式两种形式负载到PEI纳米纤维上。
[0008]复合纳米纤维的平均直径为500
‑
1000nm。
[0009]PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜的厚度为55
‑
75μm。
[0010]所述的ZIF
‑
8纳米晶体是由锌源和2
‑
甲基咪唑溶解在甲醇中于常温条件下制得的；锌源选自六水合硝酸锌和二水合醋酸锌中的一种或两种。
[0011]所述高效空气过滤复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，使用静电纺丝技术，以聚醚酰亚胺高分子聚合物作为基质，制备包括以下步骤：
[0012]步骤a、制备纺丝液，将ZIF
‑
8均匀分散在聚醚酰亚胺有机溶液中；
[0013]将ZIF
‑
8纳米晶体分散在有机溶剂中再加入PEI制备纺丝液，或先制备PEI有机溶液再将ZIF
‑
8晶体掺杂到有机溶液中制备成纺丝液。
[0014]步骤b、电纺成纳米纤维并收集在聚丙烯无纺布上，用注射器吸取适量混合溶液，将针头与电源正极相连，设置合适的浓度、电压、接收距离、注射速率参数；
[0015]步骤c、将步骤b制备得到的PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜放置在真空干燥箱中干燥在80℃下干燥2h，以除去多余的溶剂。
[0016]步骤a中，所述的有机溶液为DMF/NMP＝1/1(wt/wt)的混合溶剂中，制备纺丝液时可进行超声处理一段时间和/或加热(60℃)搅拌；
[0017]步骤a中所述的ZIF
‑
8纳米晶体占聚醚酰亚胺的0wt％
‑
10wt％；纺丝液的固含量20wt％
‑
30wt％，如20wt％、23wt％、25wt％、30wt％。
[0018]步骤b所述的电压参数优选：20kV、25kV、30kV中的至少一种。
[0019]步骤c所述的接收距离参数优选：10
‑
20cm。
[0020]具体地，步骤c所述的注射速率参数优选：0.5mL/h
‑
1.5mL/h。
[0021]电纺的其他参数：滚筒转速为50r/min，滑台速度为400cm/min，针头内径为0.5mm，温度为25
±
2℃，湿度为45
±
2％。
[0022]本专利技术复合纳米纤维膜水接触角达136
°
，具备强大的疏水性能。
[0023]用于高效空气过滤、个人防护、200℃下高温高湿(＞80％)恶劣条件下空气过滤等方面，对PM
2.5
和PM
10
等小颗粒物能实现高效的过滤和捕集。
[0024]本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术在聚丙烯无纺布上通过静电纺丝技术制备了PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜，通过ZIF
‑
8纳米晶体的添加，导致复合纳米纤维的平均直径显著降低，在复合纳米纤维的表面出现了很多纳米级凸起，形成了微纳尺度的异质结分层结构，纤维表面的粗糙度明显增加，复合纳米纤维的比表面积显著增加。通过掺杂ZIF
‑
8纳米晶体，所制备的PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜的空气过滤性能显著提高，对PM
2.5
和PM
10
等小颗粒物能实现高效的过滤和捕集。此外，该复合纳米纤维膜具备200℃下的高温稳定性以及水接触角为136
°
的强大疏水性。这种新型复合纳米纤维膜，在高效空气过滤和个人防护等方面具有非常大的潜在的应用前景。
附图说明
[0025]图1.本专利技术实施例1所制备的PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜的表面扫描电镜图。
[0026]图2.本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效空气过滤复合纳米纤维膜，其特征在于，PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜中的纤维是通过将ZIF
‑
8纳米晶体负载到PEI纳米纤维中得到复合纳米纤维，在复合纳米纤维的表面产生纳米级凸起，表面粗糙度增加，比表面积增大，PEI和ZIF
‑
8之间构建了微纳尺度的异质结分层结构。2.按照权利要求1所述的一种高效空气过滤复合纳米纤维膜，其特征在于，PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜负载在聚丙烯无纺布上。3.按照权利要求1所述的一种高效空气过滤复合纳米纤维膜，其特征在于，ZIF
‑
8纳米晶体以内含式和镶嵌式两种形式负载到PEI纳米纤维上。4.按照权利要求1所述的一种高效空气过滤复合纳米纤维膜，其特征在于，复合纳米纤维的平均直径为500
‑
1000nm。5.按照权利要求1所述的一种高效空气过滤复合纳米纤维膜，其特征在于，PEI/ZIF
‑
8复合纳米纤维膜的厚度为55
‑
75μm。6.按照权利要求1
‑
5任一项所述的一种高效空气过滤复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，使用静电纺丝技术，以聚醚酰亚胺高分子聚合物作为基质，制备包括以下步骤：步骤a、制备纺丝液，将ZIF
‑
8均匀分散在聚醚酰亚胺有机溶液中；将ZIF
‑
8纳米晶体分散在有机溶剂中再加入PEI制备纺丝液，或先制备PEI有机溶液再将ZIF
‑
8晶体掺杂到有机溶液中制备成纺丝液；步骤b、电纺成纳米纤维并收集在聚丙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟洪，周长哲，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：