一種功能化納米纖維過濾材料及其製備方法和應用與流程
2023-10-23 13:09:57 1
本發明屬於空氣淨化材料技術領域，具體涉及一種功能化納米纖維過濾材料及其製備方法和應用。
背景技術：
空氣汙染嚴重地影響著人們的身體健康、生活、工作以及社會的經濟。過濾技術則是改善大氣環境和提高室內品質的一個行之有效的辦法。目前，普通空氣過濾材料效率低、阻力高，不能滿足人們對空氣品質的要求，迫切需要開發一種可以高效低阻地過濾顆粒物，並可以去除甲醛等空氣汙染物的功能性空氣過濾材料。
靜電紡絲納米纖維過濾材料，由於其稀疏多孔的結構和相對較高的比表面積，在眾多過濾材料中性能最為優越。但由於其一般由高聚物紡制而成，大多只能對空氣中的懸浮顆粒進行攔截和靜電吸附，不能除去空氣中的細菌，病毒和有機汙染物。近年來，很多專家學者通過用靜電紡納米纖維與功能化材料複合的方法製備出了各種複合功能化靜電紡納米纖維膜。
國內2013年12月18日公開的cn103446803a發明型專利介紹了一種抗菌空氣過濾氈及其製備方法和應用，該發明是以靜電紡高分子納米纖維氈作為載體材料，通過靜電噴塗的方式負載有一定濃度的納米抗菌劑，納米抗菌劑選自納米銀抗菌劑，製備時先配製納米銀抗菌劑懸浮液和高分子紡絲液，然後採用靜電紡絲製備納米纖維氈同步靜電噴塗負載納米抗菌劑，最後真空乾燥。該技術的不足之處在於：其中的納米抗菌劑選自納米銀抗菌劑，雖可以起到殺菌的作用，但其中的重金屬銀會對人體造成不可避免的傷害。
國內2015年7月22日公開的cn104785018a發明型專利介紹了一種pvdf納米纖維功能化空氣過濾材料及其製備方法，它包括一層聚丙烯微米纖維層和一層pvdf納米纖維層，所述pvdf納米纖維由紡絲溶液製成，它將聚丙烯微米纖維層作為基材，將pvdf樹脂、混合溶劑和四丁基高氯酸鉸攪拌混合，將基材通過高溫壓光輥熱壓，然後送入靜電紡絲裝置中噴塗。該技術的不足之處在於：這種過濾材料僅包含pvdf和聚丙烯兩種材料，並沒有特殊的殺菌及吸附油性顆粒的作用，而且製作工藝複雜，成本較高。
國內2015年8月5日公開的cn104815483a發明型專利介紹了一種複合抗菌空氣過濾材料，它包括依次粘結的駐極織物層、靜電紡纖維膜層和基材無紡布層，其中，它的靜電紡纖維膜層和基材無紡布層的表面負載有殼聚糖和納米tio2光觸媒。該方法雖然可以起到抗菌、消毒和除異味的功能，但製作工藝過於繁瑣，噴塗層容易脫落。
技術實現要素：
為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，針對甲醛等有機汙染物的去除，本發明的首要目的在於提供一種功能化納米纖維過濾材料。
本發明的另一目的在於提供一種功能化納米纖維過濾材料的製備方法。
本發明的再一目的在於說明此一種功能化納米纖維過濾材料的應用。
本發明目的通過以下技術方案實現。
一種功能化納米纖維過濾材料的製備方法，包括如下步驟：
(1)配製聚合物紡絲液：將c3n4納米片加入到溶劑中，超聲震蕩直至分散均勻，再加入聚合物，磁力攪拌直至溶解均勻，得到含c3n4納米片的聚合物紡絲液；
(2)靜電紡絲：將步驟(1)所得聚合物紡絲液通過靜電紡絲技術製備於基底上，得到功能化納米纖維過濾材料。
優選的，步驟(1)所述超聲震蕩的時間為1h。
優選的，步驟(1)所述磁力攪拌的時間為12h。
優選的，步驟(1)所述溶劑為甲酸、n-n二甲基甲醯胺、四氫呋喃、三氟乙酸、二氯甲烷、水和丙酮中的一種以上。
優選的，步驟(1)所述聚合物為聚醯胺、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇和聚乳酸中的至少一種。
進一步優選的，步驟(1)所述聚合物和溶劑分別對應如下：
聚醯胺：甲酸溶劑；
聚碳酸酯：質量比為1:1的n-n二甲基甲醯胺和四氫呋喃的混合溶劑；
聚對苯二甲酸乙二醇酯：體積比為4:1的三氟乙酸和二氯甲烷的混合溶劑；
聚對苯二甲酸丁二醇酯：體積比為3:2的三氟乙酸和二氯甲烷的混合溶劑；
聚氨酯：質量比為7:3的n-n二甲基甲醯胺和四氫呋喃的混合溶劑；
聚氯乙烯：質量比為1:1的n-n二甲基甲醯胺和四氫呋喃的混合溶劑；
聚苯乙烯：n-n二甲基甲醯胺溶劑；
聚丙烯腈：n-n二甲基甲醯胺溶劑；
聚乙烯醇：水溶劑；
聚乳酸：質量比為4:1的n，n-二甲基甲醯胺和丙酮的混合溶劑。
優選的，步驟(1)所述聚合物紡絲液中c3n4納米片的含量為0.01～20wt.％。
優選的，步驟(1)所述聚合物紡絲液中聚合物的含量為5～25wt.％。
優選地，步驟(2)中所述基底為常規微米纖維濾材。
優選的，步驟(2)所述靜電紡絲的工藝條件為：電壓10～30kv，接收距離5～30cm，注射速度1～5ml/h，溫度0～35℃，相對溼度0～70％。
由以上所述的方法製得的一種功能化納米纖維過濾材料。
優選的，該材料由納米纖維膜和基底組成，所述納米纖維膜由一類通用工程塑料聚合物納米纖維和分散在聚合物納米纖維中的c3n4納米片組成；所述c3n4納米片由三聚氰胺通過高溫熱剝落的方法製備得到；所述納米纖維膜的纖維直徑為100～900nm，納米纖維膜的克重為0.01～5g/m2，孔隙率≥80％。
以上所述的一種功能化納米纖維過濾材料在空氣過濾中的應用。
本發明創新性的在納米纖維表面引入c3n4納米片，c3n4是一種非金屬半導體材料，由地球上含量較多的c、n元素組成，抗酸、鹼、光的腐蝕，穩定性好，硬度可以和金剛石相媲美，結構和性能易於調控。c3n4是石墨相的層狀結構，層間可以通過氣體分子，且內部有很多從0.3nm到幾十納米不等的缺陷，利於氣體的通過，可以大大降低pm2.5分離過程中的壓降，提高空氣淨化過程中的過濾效率。此外，c3n4自身帶有一定的氨基基團(n-h)，對甲醛、co、氮氧化物等空氣汙染物有很好的吸附分離效果。
本發明所得的功能化納米纖維過濾材料可以應用於工業粉塵過濾系統、室內空氣過濾(如作為空氣淨化器濾芯和空調濾芯等)、機動車氣體過濾系統(如用於車載空氣淨化器和尾氣過濾器等)、另外還可以用作紗窗、窗簾、門帘等，也可以用於製作防護服和口罩等。
與現有技術相比，本發明具有如下優點及有益效果：
(1)本發明首次在靜電紡聚合物納米纖維中加入c3n4納米片，得到一種功能化納米纖維過濾材料；
(2)本發明功能化納米纖維過濾材料中加入的c3n4納米片，不含金屬，具有很好的生物相容性，由於其自身特有的層狀結構、缺陷以及氨基基團，使其在用作空氣過濾材料時，不僅可以有效攔截空氣中的懸浮顆粒，還可以吸附氮氧化物、co、so2等化學汙染物，尤其對空氣中的有機染料(亞甲基藍、甲基橙和羅丹明b等)和小分子化合物(甲醛、苯酚、2,4-二氯苯酚、2,4,6-三氯苯酚、十溴聯苯醚、乙醛、no和cr等)也有很好的過濾作用，可以大大提高空氣淨化效果。另外，由於它超高的硬度，可以很好的提高納米纖維膜的機械強度，它自帶的缺陷，有效提高了濾材的比表面積並且減小壓降，大大增加其吸附量並提高過濾效率。
(3)本發明所使用的c3n4納米片，由於其獨特的二維材料性質和其特有的氨基基團，使其加入到紡絲纖維時，與聚合物本身發生協同作用，對小顆粒汙染物及甲醛等有機汙染物有更加高效的分離效果。
(4)本發明功能化納米纖維過濾材料的製備方法簡單，不需要特殊裝置和設備，可適用於一系列廣泛的納米纖維膜過濾材料的製備；
(5)本發明功能化納米纖維過濾材料應用廣泛，有很好的應用前景。
附圖說明
圖1是本發明所使用的靜電紡絲設備的結構示意圖。
圖2是本發明所得功能化納米纖維過濾材料的結構及功能示意圖。
圖3是本發明所得功能化納米纖維過濾材料進行過濾測試時的測試裝置示意圖。
圖4是本發明所得功能化聚偏氟乙烯+c3n4納米纖維過濾材料的掃描電鏡(sem)圖。
圖5a是本發明所用c3n4納米片的原子力顯微鏡電鏡(afm)圖。
圖5b是本發明所用c3n4納米片的厚度分析圖。
圖6是本發明實施例3所得功能化聚偏氟乙烯+c3n4納米纖維過濾材料與添加其他物質的過濾效率對比圖。
圖7是本發明實施例3所得功能化聚偏氟乙烯+c3n4納米纖維過濾材料對甲醛和一氧化碳的過濾效率圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
圖1是本發明所使用的靜電紡絲設備的結構示意圖，該設備包括平板接收器1、靜電紡絲裝置的推注系統2和靜電高壓提供系統3。
圖2是本發明所得功能化納米纖維過濾材料的結構及功能示意圖，該材料包括功能化納米纖維層4，基底層5，納米纖維6和c3n4納米片7。
圖3是本發明所得功能化納米纖維過濾材料進行過濾測試時的測試裝置示意圖，該裝置包括檢測器8，氣流進口9，氣流出口10，腔室11，膜材料12。
實施例1
一種功能化納米纖維過濾材料的製備方法，具體步驟為：
(1)將聚乳酸(pla)置於60℃的真空烘箱中乾燥2h。用電子天平準確稱取14.235gn-n二甲基甲醯胺置於25ml燒杯中，然後稱取0.015gc3n4納米片(該納米片的原子力顯微鏡圖和厚度分析圖如圖5a和5b所示)置於n-n二甲基甲醯胺中，超聲震蕩6h，取出燒杯，用電子天平準確稱取0.75g乾燥好的聚乳酸粉末置於所述燒杯中，常溫磁力攪拌24h，配製成均勻並且穩定的含c3n4納米片的聚丙烯腈紡絲液。
(2)將步驟(1)所得紡絲液通過靜電紡絲技術製備於基底上，具體使用圖1所示的靜電紡絲設備進行靜電紡絲，將剪裁好的基底(華濾織材hfc30)，黏在平板接收器上，調節靜電紡絲參數，推注系統的平移速度為120mm/min，接收距離為30cm，靜電高壓為25kv，推注速度為2ml/h，溫度為25℃，相對溼度為70％，得到功能化納米纖維過濾材料，即功能化聚乳酸+c3n4納米纖維過濾材料，所得材料中納米纖維膜的纖維直徑為500nm，克重為0.05g/m2，孔隙率85％。
本實施例所得的功能化納米纖維過濾材料的結構及功能示意圖如圖2所示，所得功能化納米纖維過濾材料的掃描電鏡圖如圖4所示。
實施例2
一種功能化納米纖維過濾材料的製備方法，具體步驟為：
(1)將聚氯乙烯(pvc)粉末置於60℃的真空烘箱中乾燥2h。用電子天平準確稱取5.625gn-n二甲基甲醯胺和5.625g四氫呋喃置於50ml燒杯中，然後稱取1.5gc3n4納米片(該納米片的原子力顯微鏡圖和厚度分析圖如圖5a和5b所示)，置於上述混合溶劑中，用超聲震蕩儀震蕩6h，取出燒杯，用電子天平準確稱取2.25g乾燥好的聚氯乙烯粉末置於所述燒杯中，常溫磁力攪拌24h，配製成均勻並且穩定的含c3n4納米片的聚氯乙烯紡絲液。
(2)將步驟(1)所得紡絲液通過靜電紡絲技術製備於基底上，具體使用圖1所示的靜電紡絲設備進行靜電紡絲，將剪裁好的基底(華濾織材hfc30)，黏在平板接收器上，調節靜電紡絲參數，推注系統的平移速度為120mm/min，接收距離為30cm，靜電高壓為30kv，推注速度為2ml/h，溫度為15℃，相對溼度為25％，得到功能化納米纖維過濾材料，即功能化聚氯乙烯+c3n4納米纖維過濾材料，所得材料中納米纖維膜的纖維直徑為300nm，克重為2g/m2，孔隙率80％，掃描電鏡圖與圖4相似。
本實施例所得的功能化納米纖維過濾材料的結構及功能示意圖如圖2所示。
實施例3
一種功能化納米纖維過濾材料的製備方法，具體步驟為：
(1)將聚偏氟乙烯(pvdf)粉末置於60℃的真空烘箱中乾燥2h。用電子天平準確稱取8.25gn-n二甲基甲醯胺置於50ml燒杯中，然後稱取3gc3n4納米片(該納米片的原子力顯微鏡圖和厚度分析圖如圖5a和5b所示)置於上述溶劑中，用超聲震蕩儀震蕩5h，取出燒杯，用電子天平準確稱取3.75g乾燥好的聚偏氟乙烯粉末置於所述燒杯中，常溫磁力攪拌24h，配製成均勻並且穩定的含c3n4納米片的聚偏氟乙烯紡絲液。
(2)將步驟(1)所得紡絲液通過靜電紡絲技術製備於基底上，具體使用圖1所示的靜電紡絲設備進行靜電紡絲，將剪裁好的基底(華濾織材hfc30)，黏在平板接收器上，調節靜電紡絲參數，推注系統的平移速度為100mm/min，接收距離為30cm，靜電高壓為30kv，推注速度為2ml/h，溫度為20℃，相對溼度為20％，得到功能化納米纖維過濾材料，即功能化聚偏氟乙烯+c3n4納米纖維過濾材料，所得材料中納米纖維膜的纖維直徑為450nm，克重為0.01g/m2，孔隙率95％，掃描電鏡圖與圖4相似。
本實施例所得的功能化納米纖維過濾材料的結構及功能示意圖如圖2所示。
實施例1、2、3所得功能化納米纖維過濾材料用作空氣過濾材料的過濾性能測試測試：
本裝置採用的汙染空氣的來源有兩種，一是香菸煙霧，二是植物材料的燃燒煙霧。已經有證據證實，香菸煙霧中包含的pm(懸浮顆粒物)的粒徑範圍從0.01-10μm，它大約包含有7000種不同的化學物質，大部分是有害的甲醛
(hcho)和co汙染物。植物材料的燃燒煙霧也包含一個大粒徑範圍的pm和高濃度的甲醛(hcho)和co汙染物。汙染空氣被稀釋可測量水平後，通入實驗裝置的左邊腔室內，採用粒子計數器(cem，dt-9881)對汙染空氣進行監測。同時，在控制空氣流速為5.33cm/s的情況下，採用壓力計(uei,em201-b)測量濾膜氣流的壓力差。將濾膜裁剪成直徑為10cm的圓形，有夾具夾持進行過濾測試。濾膜的過濾效率η即可表示為
η＝((c0-c1))/c0
式中：c0表示左側腔室的空氣汙染物數量，
c1表示右側腔室的空氣汙染物數量。
實驗結果顯示：實施例1、2、3所得功能化納米纖維過濾材料用作空氣過濾材料均對空氣中pm的過濾效率達95％以上，過濾壓降在10～50pa之間，實施例3結果如圖6所示(圖6中pvdf+二氧化矽、pvdf+鈦酸鋇、pvdf材料的製備方法與實施例3一致，只是把氮化碳改為二氧化矽、鈦酸鋇)。對甲醛(hcho)和co的過濾效率達到60-80％，實施例3結果如圖7所示。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。