一種用於吸附PM2.5的高吸附性多孔複合薄膜的製作方法
2023-12-06 07:28:11 1
本發明涉及聚乳酸材料的功能化技術領域，具體涉及一種用於吸附pm2.5的高吸附性多孔複合薄膜。
背景技術：
近幾年，中國的霧霾問題日益嚴重，其中直徑小於2.5微米的懸浮顆粒物(pm2.5)更是對人類的身體健康產生了巨大的威脅。因此，人們對於能夠吸附阻隔pm2.5的材料需求日甚。然而目前的吸附材料的吸附能力和力學性能等還具有一定缺陷，因此製備出綜合性能良好的吸附材料是目前急需解決的問題。
聚乳酸(pla)作為一種生物可降解材料，其靜電紡絲纖維膜不僅具備良好的生物可降解性、物理機械性及相容性，而且其具有的比表面積高、孔隙率大等特點使其具有良好的吸附性能，在吸附過濾口罩方面有較好的應用前景。
金屬有機骨架材料(mofs)是一種新型的多孔材料，具有比表面積大、吸附性能好、結構多樣性、孔道尺寸可調及骨架可修飾等優點，已經廣泛應用於氣體存儲、催化、傳感、分離以及生物醫學等領域。zif-8(沸石咪唑酯骨架)，作為一種金屬有機骨架材料，是以鋅為配位中心，二甲基咪唑為配體的多孔晶體材料。與傳統材料相比，zif-8製備簡單，結構複雜程度高，具有很高的反應活性和選擇性。mofs具有良好的吸附性能(秦衛平.用於甲苯吸附的mofs材料的合成及性能研究[d].華南理工大學，2013：1-5.；張志娟，幾種金屬有機骨架材料的表面改性及其對co2/n2/h2o吸附性能[d].華南理工大學，2012：1-5.)。zif-8對模擬汽油中的噻吩吸附率達69.17％(李耀，金屬有機骨架材料zif-8的製備及吸附性能研究[d].北京交通大學，2015：1-5.)。由於zifs晶體材料結構單元較為單一，限制了其功能(李銳，金屬有機骨架及其衍生結構的構築與功能特性[d].北京理工大學，2014：1-5.)。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種用於吸附pm2.5的高吸附性多孔複合薄膜，所述的多孔複合薄膜，通過將聚乳酸基體樹脂與zif-8複合，並控制二者的比例，使得多孔複合薄膜不僅能夠在添加適量zif-8後具有顯著的力學性能和吸附性，並且產品可生物降解，安全無異味，綠色環保。
實現本發明目的技術解決方案為：
一種用於吸附pm2.5的高吸附性多孔複合薄膜，由質量比為(99～95)：(1～5)的聚乳酸基體樹脂和zif-8經靜電紡絲製成。
所述的zif-8表面積為1185m2/g，顆粒粒徑為30～50nm。
進一步地，本發明還提供上述用於吸附pm2.5的高吸附性多孔複合薄膜的製備方法，具體步驟如下：
步驟1，將聚乳酸與zif-8按質量比為(99～95):(1～5)在二氯甲烷溶液中共混，得到濃度為9～12wt％的靜電紡絲液；
步驟2，將靜電紡絲液置於靜電紡絲裝置中進行靜電紡絲，在溫度不小於20℃，相對溼度不小於50％的環境下，設置電壓為20～28kv，流速為0.1～2ml/h，接收距離為15-23cm，製得多孔複合薄膜。
步驟1中，聚乳酸與zif-8的共混具體為：先將zif-8在二氯甲烷中超聲分散均勻，再將聚乳酸溶於分散液中，繼續超聲共混。
優選地，步驟1中，超聲分散時間不少於30min，超聲共混時間不少於3小時。
更進一步地，本發明還提供上述多孔複合薄膜在吸附pm2.5中的應用。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
(1)通過簡單配比混合製得溶液並採用靜電紡絲方法製得纖維薄膜，操作簡單，成本低廉，薄膜孔徑為納米級別，比表面積大，孔隙率高，表面帶有靜電，吸附性能極強，吸附10分鐘所吸附的pm2.5質量最高可達膜本身質量的35.5％；
(2)多孔複合薄膜力學性能提高，增強了薄膜的實際應用性能；
(3)多孔複合薄膜可回收，可重複使用，並且產品可生物降解，無異味，安全可靠，對人體和環境的危害及汙染程度低，綠色環保。
附圖說明
圖1為比較例1的聚乳酸靜電紡絲纖維膜(a1-a2)，實施例1的多孔複合薄膜(b1-b2)，實施例2的多孔複合薄膜(c1-c2)，實施例3的多孔複合薄膜(d1-d2)，實施例4的多孔複合薄膜(e1-e2)的sem圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步詳述。
本發明中的zif-8，根據現有方法製備，可參考文獻(cravillonj等,chem.mater.，2011，23，2130-2141)報導的方法製備，即按照六水合硝酸鋅、二甲基咪唑和甲醇的摩爾比1:4:1000的配比，先將六水合硝酸鋅和二甲基咪唑分別溶於一半甲醇，然後將兩種溶液共混反應生成zif-8，具體為：將六水合硝酸鋅的甲醇溶液與2-甲基咪唑的甲醇溶液混合，室溫下攪拌1h後靜置24h，離心、甲醇洗、乾燥所得。六水合硝酸鋅的甲醇溶液濃度為1.487g/100ml，2-甲基咪唑的甲醇溶液濃度為1.602g/100ml。
比較例1
聚乳酸靜電紡絲纖維膜對照組：
稱取1.4722g聚乳酸溶解於10ml二氯甲烷中(聚乳酸質量分數為10wt％，做空白對照)，磁力攪拌3h使其充分溶解，製得靜電紡絲液。在溫度為20℃，相對溼度為50％的條件下進行靜電紡，設置電壓為20kv，紡絲液推進速度為0.5ml/h，接收距離為15cm，製得聚乳酸靜電紡絲纖維膜。
圖1(a1)和(a2)為聚乳酸靜電紡絲纖維膜的sem圖，可以看出，在此條件下的聚乳酸靜電紡絲纖維膜具有多孔結構。由微機控制電子萬能試驗機進行力學性能測試，力學性能測試結果：拉伸強度1.26mpa，斷裂伸長率56.60％。定義薄膜十分鐘所吸附的pm2.5質量同薄膜質量比為吸附效率，材料的吸附效率為19.5％。
比較例2
稱取147.2mgzif-8溶解於10ml二氯甲烷中，超聲分散30min，加入1.325g聚乳酸(zif-8：聚乳酸＝10:90)，磁力攪拌3h使其充分溶解，製得靜電紡絲液。用靜電紡絲裝置對靜電紡絲液在溫度為20℃，相對溼度為50％的條件下進行靜電紡，設置電壓為20kv，紡絲液推進速度為0.5ml/h，接收距離為20cm，制多孔複合薄膜。發現紡絲開始後，絲上伴有較多白色小顆粒，後期出絲量下降，直至無法出絲(此時10ml紡絲液只用了4ml，剩餘6ml無法繼續紡絲)。同時發現小燒杯內剩餘紡絲液乾涸後膜表面可見白色小顆粒。推測原因為zif-8量過多，分散不均勻，且紡絲液太濃稠。由此可見，此質量配比的紡絲液使用率過低，紡絲效果差。
實施例1
稱取13.10mgzif-8溶解於10ml二氯甲烷中，超聲分散30min，加入1.297g聚乳酸(zif-8：聚乳酸＝1:99)，磁力攪拌3h使其充分溶解，製得靜電紡絲液。用靜電紡絲裝置對靜電紡絲液在溫度為20℃，相對溼度為50％的條件下進行靜電紡，設置電壓為20kv，紡絲液推進速度為0.5ml/h，接收距離為20cm，製得多孔複合薄膜。圖1(b1)和(b2)為pla：zif-8為99:1的靜電紡絲纖維膜的sem圖，可以看出，在此條件下的聚乳酸靜電紡絲纖維膜具有多孔結構。由微機控制電子萬能試驗機進行力學性能測試，力學性能測試結果：拉伸強度1.81mpa，斷裂伸長率60.12％。定義薄膜十分鐘所吸附的pm2.5質量同薄膜質量比為吸附效率，吸附效率為29.5％。
實施例2
稱取36.13mgzif-8溶解於10ml二氯甲烷中，超聲分散30min，加入1.7707g聚乳酸(zif-8：聚乳酸＝2:98)，磁力攪拌3h使其充分溶解，製得靜電紡絲液。用靜電紡絲裝置對靜電紡絲液在溫度為25℃，相對溼度為60％的條件下進行靜電紡，設置電壓為25kv，紡絲液推進速度為1ml/h，接收距離為20cm，製得多孔複合薄膜。圖1(c1)和(c2)為pla：zif-8為98:2的靜電紡絲纖維膜的sem圖，可以看出，在此條件下的聚乳酸靜電紡絲纖維膜具有多孔結構。由微機控制電子萬能試驗機進行力學性能測試，力學性能測試結果：拉伸強度2.86mpa，斷裂伸長率100.51％。定義薄膜十分鐘所吸附的pm2.5質量同薄膜質量比為吸附效率，吸附效率為35.5％。
實施例3
稱取44.17mgzif-8溶解於10ml二氯甲烷中，超聲分散30min,加入1.4280g聚乳酸(zif-8：聚乳酸＝3:97)，磁力攪拌4h使其充分溶解，製得靜電紡絲液。用靜電紡絲裝置對靜電紡絲液在溫度為30℃，相對溼度為60％的條件下進行靜電紡，設置電壓為23kv，紡絲液推進速度為0.1ml/h，接收距離為23cm，製得多孔複合薄膜。圖1(d1)和(d2)為pla：zif-8為97:3的靜電紡絲纖維膜的sem圖，可以看出，在此條件下的聚乳酸靜電紡絲纖維膜具有多孔結構。由微機控制電子萬能試驗機進行力學性能測試，力學性能測試結果：拉伸強度1.80mpa，斷裂伸長率71.52％。定義薄膜十分鐘所吸附的pm2.5質量同薄膜質量比為吸附效率，吸附效率為34.6％。
實施例4
稱取73.35mgzif-8溶解於10ml二氯甲烷中，超聲分散30min,加入1.3940g聚乳酸(zif-8：聚乳酸＝5:95)，磁力攪拌4h使其充分溶解，製得靜電紡絲液。用靜電紡絲裝置對靜電紡絲液在溫度為35℃，相對溼度為70％的條件下進行靜電紡，設置電壓為30kv，紡絲液推進速度為2ml/h，接收距離為20cm，製得多孔複合薄膜。圖1(e1)和(e2)為pla：zif-8為95:5的靜電紡絲纖維膜的sem圖，可以看出，在此條件下的聚乳酸靜電紡絲纖維膜具有多孔結構。由微機控制電子萬能試驗機進行力學性能測試，力學性能測試結果：拉伸強度1.59mpa，斷裂伸長率59.67％。定義薄膜十分鐘所吸附的pm2.5質量薄膜質量比為吸附效率，吸附效率為28.6％。
通過以上對比例和實施例可以得到：zif-8能夠有效增強聚乳酸材料，所述的多孔複合薄膜在實施例的組分配方內具有優異的吸附性能和力學性能。