CN104368245A - 一种空气过滤膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及日用化工过滤产品技术领域，具体来说是一种空气过滤膜的制备方法，步骤包括(1)将聚合物、溶剂共混溶解/熔融，得到稳定的溶液/熔体，其中聚合物、溶剂的重量份数比为0.1～50∶0～100；(2)将上述的共混溶液或熔体通过静电纺丝将纺丝液电纺到纱布表面即得纳米纤维空气过滤膜。本发明的制备方法简单，成本低廉，对设备要求低，可以使用低毒或无毒的溶剂，适合规模化生产；本发明的产品具有很好的过滤能力，可应用于口罩过滤部件，也可以应用于空调过滤器等方面；本发明的过滤膜主要应用于防PM 2.5口罩上，呼吸防护用品，自吸过滤式防颗粒物呼吸器上，其次可应用于空气过滤及净化装置上，以及其他过滤设备上。

Description

一种空气过滤膜的制备方法

技术领域

本发明涉及日用化工过滤产品技术领域，具体来说是一种空气过滤膜的制备方法。

背景技术

静电纺丝技术是新兴的制造纳米纤维的重要技术之一，其制造装备简单、操作方便，制造成本廉价、取材便宜、产品具有可控性，可实现工业化生产等优点，成为众人热衷的对象。但我国的静电纺丝发展较晚，工艺与应用还处在初步发展阶段，拓宽静电纺丝的工艺之路有较好的前景，可更加方便的服务国民生产生活，提高生活质量及水平。

当代社会提倡绿色环保，但是工业化高速发展的今天，生产生活所产生的大量尘雾对民众的身体健康有很大的危害，粉尘PM2.5一直是众多学者关注的对象，因为粉尘直径小于2.5微米，吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，而且还有可能携带病毒和细菌，引发感冒、哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病，被认为比沙尘暴对人体更有威胁。

如何更好的防止粉尘和雾霭对人体的危害呢？纳米纤维材质的过滤物品，如口罩是很好的个体防护用品。目前，应用新技术，寻求新工艺，生产直径小、孔隙率高、孔径分布均匀的纳米纤维过滤膜，达到过滤PM2.5的功能，为人身安全提供更好的保证，具有重要的现实意义。

国内外研究现状及趋势：

随着纳米材料技术的飞速发展，纳米纤维技术已成为纤维科学的前沿和研究热点。近年来发展了许多制备纳米纤维的方法，如拉伸、模板聚合、相分离、自组织和静电纺丝等，而静电纺丝工艺是目前唯一能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法。静电纺丝是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的纺丝方法。

1934年Formhals申请了制备聚合物超细纤维的静电纺丝装置专利，引导世人对静电纺丝的关注；Simons在1966年申请了静电纺丝法制备超薄、超细非织造膜的专利，开创了静电纺丝制备纤维膜的新路子；1995年，Reneker研究组开始对静电纺丝进行研究，探讨了静电纺丝过程的不稳定性，促使静电纺丝的快速的发展；2000年，Spivak等首次采用流体动力学描述静电纺丝过程,并且提出了静电纺丝的工艺参数，使静电纺丝迈上工业化的道路。现在有许多大型的过滤企业有雄厚的资金及深厚的技能能力，在纳米纤维的研发和产业化方面走在前列，如美国DuPont公司和Zyvex公司、德国Sandier公司、捷克Elmarco公司等。当前，美国的静电纺丝研究工作占了全世界的一半以上，生物材料和药物释放正成为世界研究的热点。

与国外相比，国内的静电纺丝是从2002年才开始逐步发展起来，之前国内关注的较少。王策是第一个在国内开展了利用高压静电纺丝技术研制有机纳米高分子的研究者，开创了有机/无机两相纳米复合材料研究方向，也是国内外该领域先驱者；东华大学研究了静电纺丝的工艺参数对聚丙烯腈纤维直径的影响，同济大学进行了导电聚合物纳米纤维静电纺丝工艺的研究，北京化工大学用静电纺丝法制得聚乳酸纳米纤维无纺毡，中国科学院用静电纺丝法制得了纳米级聚丙烯腈纤维毡，胡平带领的清华大学科研组，也是国内对静电纺丝研究的团队之一。国内主要关注的是：(1)研究静电纺丝工艺，集中在合成聚合物和天然聚合物，分析影响纺丝的因素及其纤维表征；(2)研究静电纺丝工艺及过程参数，包括纺丝电压、纺丝距离(喷丝口与接收屏之间的距离)、纺丝液的浓度、流量表面张力和空气流速等，分析这些因素并建立模型；(3)静电纺丝所得制品在生物医学领域中的应用，主要是仿生与支架方面的应用；(4)静电纺丝装备的创新，是近年来静电纺丝研究中的一个热点。开发静电纺丝纳米纤维的原料、多组分聚合物的静电纺丝、静电纺丝射流的不稳定模型及纳米纤维在过滤材料、生物医药工程等的应用。总之，国内的静电纺丝起步较晚，对静电纺丝的研究主要是通过选择适当的聚合物溶液纺制纳米级纤维，目前还着重于工艺参数对纤维形貌和直径的影响及其纤维形貌的分析，复合功能性空气过滤材料的研究相对较少。

国内外的专利情况：东华大学丁彬、王娜、万会高、俞建勇的发明专利：一种增强聚砜纳米纤维空气过滤膜及其静电纺丝制备方法，本发明制备工艺简单、成本低廉、纤维膜制品在超精细过滤领域具有广阔的应用前景。东华大学俞昊、朱树琦、石玉元的发明专利：一种抗菌空气过滤膜的制备方法，本发明的产品具有很好的长效抗菌的能力。中国科学院化学研究所叶钢、李兰、刘必前的发明专利：抗菌超滤膜或微滤膜，制得的抗菌超滤膜或微滤膜具有抗菌性能可靠、抗菌谱宽、抗菌有效期长，无毒副作用等特点。上海大学刘丽、黄星、高翔、曹焕焕、陆珺的发明专利：静电纺丝制备聚砜酰胺分离膜的方法。北京化工大学刘勇、王昭春、向伟的发明专利：一种新型离心熔体静电纺丝装置，它利用高压电场力和高速离心力的共同作用，使高分子熔体纺出纳米级超细纤维，通过向加料室内间断补充物料可以实现整个装置的连续纺丝，多层喷嘴不但大大提高纺丝效率并且可以获得一定宽度的纤维膜，有利于实现工业化生产。无锡力合光电传感技术有限公司冯冠平、刘志斌等的专利：一种空气过滤膜及其制备方法，一种空气过滤膜；此两项专利提供的空气过滤膜可阻挡超小尘粒，完全满足PM2.5的防护需要，同时具有良好的通气性，透明，柔软，可折叠，易于携带，便于安装。这些专利说明静电纺丝作为简便高效的可生产纳米纤维的新型加工技术，在传统产业和高科技领域具有很好的开发前景。

如何更好的防止PM2.5对人体的危害呢？口罩是个体防护的首选用品，但常用的纱布或无纺布口罩透气性差，过滤效率不高，上述缺点就是由于纤维直径太大(纤维直径1微米以上)，导致透气及过滤效率两者不能同时兼得，活性炭过滤口罩体积比较大，佩戴不方便，一般在特殊环境使用；为解决上述问题，纳米纤维空气过滤膜是一种处理问题的可行方法，目前国内外很多学者已经报道了大量的静电纺丝纳米纤维成果，但其在纤维膜的制备过程中，对于水溶性的纺丝液制备的纤维膜容易受到水蒸气的影响，应用效果不太理想，对于酯溶性的纺丝液制备的纤维膜应用效果不错，但溶剂大多毒性较大，给规模化生产带来困难，熔融纺丝法避免大量溶剂的使用，但其生产的稳定性及其喷头易堵塞问题有待改进，而且所述过滤膜功能单一。

为此，本发明应用静电纺丝作为简便高效的纳米纤维加工技术，采用能醇溶解的聚合物材料制备纳米纤维空气过滤膜，其膜纤维直径小、孔隙率高、孔径分布均匀、质量轻、透气性好，能截留大部分的PM2.5，将此功能膜应用于口罩、空气过滤等方面，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种空气过滤膜的制备方法，该方法简单，成本低廉，对设备要求低，适合规模化生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种空气过滤膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将聚合物、溶剂共混溶解/熔融，得到稳定的溶液/熔体，其中聚合物、溶剂的重量份数比为0.1～50∶0～100；

(2)将上述的共混溶液或熔体通过静电纺丝将纺丝液电纺到纱布表面即得纳米纤维空气过滤膜。

进一步的，所述聚合物为聚乙烯醇缩丁醛，聚乙烯醇缩甲醛，聚乙烯醇缩乙醛，聚乙烯醇缩甲乙醛、聚乙烯醇中的一种或几种。

进一步的，所述溶剂为水和任意浓度的甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正戊醇、苯甲醇、丁醇、双丙酮醇、丙二醇乙醚、甲醚、丙醚、丙酮、甲乙酮、环已酮、二氯甲烷、氯仿、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸中的一种或几种。

进一步的，所述空气过滤膜的制备方法制得空气过滤膜。

进一步的，所述空气过滤膜纳米纤维层的克重为0.1～100g/m²，纳米纤维直径50nm～1μm，纤维呈无规则排列或有规则排列。

本发明静电纺丝生产环境要求清洁，室内温度控制在-10℃～80℃；湿度≤90％，设备参数条件根据仪器条件设置。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明的制备方法简单，成本低廉，对设备要求低，可以使用低毒或无毒的溶剂，适合规模化生产；

(2)本发明的产品具有很好的过滤能力，可应用于口罩过滤部件，也可以应用于空调过滤器等方面；

(3)本发明的过滤膜主要应用于防PM 2.5口罩上，呼吸防护用品，自吸过滤式防颗粒物呼吸器上，其次可应用于空气过滤及净化装置上，以及其他过滤设备上。

附图说明

图1：空气过滤膜(克重2g/m²)的红外光谱图；

图2：空气过滤膜(克重6g/m²)的红外光谱图；

图3：空气过滤膜(克重10g/m²)的红外光谱图；

图4：空气过滤膜(克重20g/m²)的红外光谱图；

图5：空气过滤膜的扫描电镜图；

图6：空气过滤膜的扫描电镜图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

将0.1重量份成膜聚合物溶解于1重量份溶剂中，或通过熔融聚合物呈分散均匀的流体后，用静电纺丝纺成过滤膜，克重为0.1g/m²，纤维直径400nm；

其中，成膜聚合物是聚乙烯醇缩丁醛，溶剂为任意浓度的甲醇；

上述纺丝液吸入针管中在20KV电压，喷丝头与接收盘距离10cm，推注速度0.07mm/min纺丝得到纳米纤维膜，制得的空气过滤膜(克重0.1g/m²)的红外光谱图如图1所示。

实施例2

将25重量份成膜聚合物溶解于50重量份溶剂中，或通过熔融聚合物呈分散均匀的流体后，用静电纺丝纺成过滤膜，克重为75g/m²，纤维直径500nm；

其中，成膜聚合物是聚乙烯醇缩甲醛，溶剂为任意浓度的乙醇；

上述纺丝液吸入针管中在20KV电压，喷丝头与接收盘距离10cm，推注速度0.07mm/min纺丝得到纳米纤维膜，制得的空气过滤膜(克重75g/m²)的红外光谱图如图4所示。

实施例3

将0.1～50重量份成膜聚合物通过熔融聚合物呈分散均匀的流体后，用静电纺丝纺成过滤膜，克重为25g/m²，纤维直径600nm；

其中，成膜聚合物是聚乙烯醇缩乙醛，溶剂为任意浓度的丁醇；

上述纺丝液吸入针管中在20KV电压，喷丝头与接收盘距离10cm，推注速度0.07mm/min纺丝得到纳米纤维膜，制得的空气过滤膜(克重6g/m²)的红外光谱图如图2所示。

实施例4

将50重量份成膜聚合物溶解于50重量份溶剂中，或通过熔融聚合物呈分散均匀的流体后，用静电纺丝纺成过滤膜，克重为15g/m²，纤维直径700nm；

其中，成膜聚合物为聚乙烯醇缩甲乙醛，溶剂为任意浓度的乙醚；

上述纺丝液吸入针管中在20KV电压，喷丝头与接收盘距离10cm，推注速度0.07mm/min纺丝得到纳米纤维膜，制得的空气过滤膜(克重15g/m²)的红外光谱图如图4所示。

实施例5

将10重量份成膜聚合物溶解于3重量份溶剂中，或通过熔融聚合物呈分散均匀的流体后，用静电纺丝纺成过滤膜，克重为85g/m²，纤维直径1000nm；

其中，成膜聚合物为聚乙烯醇，溶剂为任意浓度的环已酮；

上述纺丝液吸入针管中在20KV电压，喷丝头与接收盘距离10cm，推注速度0.07mm/min纺丝得到纳米纤维膜，成品电镜扫描如图5所示。

实施例6

将50重量份成膜聚合物溶解于100重量份溶剂中，或通过熔融聚合物呈分散均匀的流体后，用静电纺丝纺成过滤膜，克重为100g/m²，纤维直径50nm；

其中，成膜聚合物为聚乙烯醇，溶剂为任意浓度的乙酸；

上述纺丝液吸入针管中在20KV电压，喷丝头与接收盘距离10cm，推注速度0.07mm/min纺丝得到纳米纤维膜，成品电镜扫描如图6所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种空气过滤膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将聚合物、溶剂共混溶解/熔融，得到稳定的溶液/熔体，其中聚合物、溶剂的重量份数比为0.1～50∶0～100；

(2)将上述的共混溶液或熔体通过静电纺丝将纺丝液电纺到纱布表面即得纳米纤维空气过滤膜。

2.根据权利要求1所述空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述聚合物为聚乙烯醇缩丁醛，聚乙烯醇缩甲醛，聚乙烯醇缩乙醛，聚乙烯醇缩甲乙醛、聚乙烯醇中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述溶剂为水和任意浓度的甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正戊醇、苯甲醇、丁醇、双丙酮醇、丙二醇乙醚、甲醚、丙醚、丙酮、甲乙酮、环已酮、二氯甲烷、氯仿、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸中的一种或几种。

4.根据权利要求1～3任一项所述空气过滤膜的制备方法制得空气过滤膜。

5.根据权利要求4所述空气过滤膜纳米纤维层的克重为0.1～100g/m²，纳米纤维直径50nm～1μm，纤维呈无规则排列或有规则排列。