一种具有梯度结构的复合过滤材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有梯度结构的复合过滤材料及其制备方法，以聚丙烯腈为原料，N

【技术实现步骤摘要】
一种具有梯度结构的复合过滤材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于过滤材料领域，具体涉及一种具有梯度结构的复合过滤材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]空气污染已经成为全球人们共同关注的问题。新型冠状病毒的蔓延更是让大家意识到过滤材料的重要性，疫情的出现再一次让一次性口罩等相关产品处于焦点位置。现代口罩通常由“3层或3层以上”非织造织物构成。采用阻隔能力强、高效低阻的纤维过滤材料加强对于空气中微细颗粒物的过滤，是解决上述问题的有效途径。普通非织造布材料例如口罩、防护服等目前已具备比较优异的过滤性能。但当处于颗粒浓度大以及颗粒尺寸较小时的环境下，过滤性则达不到较好的程度，即便达到相关标准，但材料的过滤阻力也会变的很大。根据标准，医用口罩的吸气阻力不得超过343.2Pa，但是佩戴者长期佩戴口罩会感觉到呼吸困难，供氧不足的问题，需降低口罩的气体阻力。
[0003]颗粒、飞沫和气溶胶是新冠病毒主要的载体，其中气溶胶尺寸最小，不携带病毒的气溶胶尺寸最低为0.01μm，携带病毒的气溶胶尺寸最小只有0.07μm，飞沫及飞沫核尺寸最小为1.0μm。利用静电纺丝方法制备的纳米纤维空气过滤材料具有纤维直径小、纤维膜孔径小、孔隙率高的结构特点，在可以有效拦截PM2.5及0.3μm以下雾霾颗粒的同时，对含有新冠病毒颗粒、飞沫、气溶胶也具有极好的阻隔作用，对小颗粒物的过滤效率高达99.99%。普通静电纺材料的气体阻力高达1600Pa，应用于口罩滤材将会使人窒息。静电纺过滤材料存在难以满足超精密过滤的要求，并且难以同时满足低阻、高效的过滤要求，在使用过程中具有能耗较高的问题，这是阻碍静电纺过滤膜产业化的重要原因。因此制备出梯度孔隙的高效低阻过滤材料，为气流提供丰富的输运孔道，赋予材料高过滤效率、低空气阻力的特性，并研究其梯度孔隙的构建机制以指导产业化生产就显得尤为重要了。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术问题，本专利技术目的在于提供一种具有梯度结构的复合过滤材料制备方法。
[0005]本专利技术的技术思路如下：虽然静电纺丝纳米纤维膜具有纤维直径小、吸附能力强、比表面积大、孔隙率高和孔径小等特点，对微纳米颗粒的捕获能力较强，在空气过滤领域有着广阔的应用前景，但由于静电纺纳米纤维膜的强度相对较差，同时由于其寿命短，性能易失效的特有属性使其很难单独使用，因此需要与非织造过滤材料复合使用，将熔喷布等材料作为底布，为静电纺纳米纤维膜提供支撑，增加其力学性能和使用寿命。此外，现有的静电纺纳米纤维空气过滤材料大都采用单一的纤维直径，而对于不同滤膜间的梯度复合研究还相对较少。按纤网阶梯排列方式，可分为从粗到细、从细到粗、从细到粗再到细等方式。对于每层梯度滤膜的纺丝工艺不同，会对静电纺微观上纤维直径产生不同程度的影响，通过改变纤维直径以影响滤膜的孔隙率，孔隙率会影响材料整体通道，而通道则影响梯度复合
纤维膜的整体过滤性能。采用梯度过滤的原理使得不同直径的纤维膜相互复合有利于提高过滤效率的同时降低过滤阻力。
[0006]因此，本专利技术采用如下技术方案：具有梯度结构的复合过滤材料的制备方法，其特征在于：以聚丙烯腈（PAN）为原料，N
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N二甲基甲酰胺（DMF）为纺丝液，制备PAN静电纺丝膜，将聚丙烯（PP）熔喷无纺布作为基底织物，将PAN静电纺丝膜直接收集在聚丙烯熔喷无纺布上，所收集的PAN静电纺丝膜的层数为2
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4层，得到具有梯度结构的复合过滤材料。
[0007]进一步地，纺丝电压设定为14
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20kV，纺丝距离设定为12
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21cm，纺丝液的浓度为10%
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20%，单层PAN静电纺丝膜纺丝时间为1h，纺丝速率为1mL/h。
[0008]进一步地，每一层PAN静电纺丝膜的制备工程中，纺丝电压均为18kV，纺丝液的浓度均为15%，纺丝距离逐层递增。
[0009]进一步地，每一层PAN静电纺丝膜的制备工程中，纺丝距离均为18cm，纺丝液的浓度均为15%，纺丝电压逐层递减。
[0010]进一步地，每一层PAN静电纺丝膜的制备工程中，纺丝电压均为18kV，纺丝距离均为18cm，纺丝液的浓度逐层递增。例如，每一层PAN静电纺丝膜的制备工程中，纺丝电压均为18kV，纺丝距离均为18cm，纺丝液的浓度逐层递增，分别为10%，13%，所收集的PAN静电纺丝膜的层数为2层；或者，每一层PAN静电纺丝膜的制备工程中，纺丝电压均为18kV，纺丝距离均为18cm，纺丝液的浓度逐层递增，分别为10%，13%，15%，所收集的PAN静电纺丝膜的层数为3层；或者，每一层PAN静电纺丝膜的制备工程中，纺丝电压均为18kV，纺丝距离均为18cm，纺丝液的浓度逐层递增，分别为10%，13%，15%，20%，所收集的PAN静电纺丝膜的层数为4层。
[0011]本专利技术考虑到现有的非织造过滤材料虽然具有较高的过滤效率，但在使用过程中空气阻力会随着容尘量的增大而急剧上升，增大能量的消耗。因此，在本专利技术中，采用聚丙烯腈为原料，N
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N二甲基甲酰胺为有机溶剂，将聚丙烯熔喷无纺布用作基底织物，直接在熔喷布上收集静电纺纤维膜，并通过改变若干个材料变量和环境变量来尝试改变电纺纳米纤维膜结构，同时将多层不同结构的纤维膜进行复合操作，制备梯度复合结构的纤维膜，对其外观，纤维结构和过滤性能等进行了研究。结果表明，通过改变纺丝距离，纺丝浓度，纺丝电压，向纺丝液中添加不同浓度的电解质这四种变量，通过梯度复合的方式制备聚丙烯腈（PAN）/聚丙烯（PP）熔喷布梯度复合膜，适当增加纺丝距离将使纤维直径更小，纺丝液浓度越大纤维直径越粗，纺丝电压越大纤维越细，电解质含量越高纤维直径具有先减小后增大的趋势，经过梯度复合后的静电纺纤维膜显著地改善了普通非织造材料的空气过滤效率，但是也增加了通气阻力，可根据具体需要改变工艺，以便在合理的通气阻力下，提高过滤效率。本专利技术对制备高效低阻口罩滤芯材料具有重要的参考价值。
附图说明
[0012]图1为实施例1不同纺丝距离制备的复合滤材的过滤性能图，其中，（a）为盐性（NaCl）过滤性能图，（b）为油性（DOP）过滤性能图。
[0013]图2为实施例2不同纺丝液浓度制备的复合滤材的过滤性能图，其中，（a）为盐性（NaCl）过滤性能图，（b）为油性（DOP）过滤性能图。
[0014]图3为实施例3不同纺丝电压离制备的复合滤材的过滤性能图，其中，（a）为盐性
（NaCl）过滤性能图，（b）为油性（DOP）过滤性能图。
[0015]图4为实施例4不同纺丝电解质制备的复合滤材的过滤性能图，其中，（a）为盐性（NaCl）过滤性能图，（b）为油性（DOP）过滤性能图。
具体实施方式
[0016]为了进一步解释本专利技术的技术方案，下面通过具体实施例来对本专利技术进行详细阐述。
[0017]本专利技术涉及的材料与设备如下：聚丙烯腈（PAN），相对分子质量150000；N
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有梯度结构的复合过滤材料的制备方法，其特征在于：以聚丙烯腈为原料，N
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N二甲基甲酰胺为纺丝液，制备PAN静电纺丝膜，将聚丙烯熔喷无纺布作为基底织物，将PAN静电纺丝膜直接收集在聚丙烯熔喷无纺布上，所收集的PAN静电纺丝膜的层数为至少2层，得到具有梯度结构的复合过滤材料。2.根据权利要求1所述的具有梯度结构的复合过滤材料的制备方法，其特征在于：所收集的PAN静电纺丝膜的层数为2
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4层。3.根据权利要求2所述的具有梯度结构的复合过滤材料的制备方法，其特征在于：纺丝电压设定为14
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20kV，纺丝距离设定为12
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21cm，纺丝液的浓度为10%
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20%，单层PAN静电纺丝膜纺丝时间为1h，纺丝速率为1mL/h。4.根据权利要求2所述的具有梯度结构的复合过滤材料的制备方法，其特征在于：每一层PAN静电纺丝膜的制备工程中，纺丝电压均为18kV，纺丝液的浓度均为15%，纺丝距离逐层递增。5.根据权利要求2所述的具有梯度结构的复合过滤材料的制备方法，其特征在于：每一层PAN静电纺丝膜的制备工程中，纺丝距离均...

【专利技术属性】
技术研发人员：严涛海，时雅菁，高武，庄慧敏，林瑜，柯惠珍，李永贵，陈浩，
申请(专利权)人：福州恒华新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：