CN105214510B - 基于摩擦发电的pm2.5滤膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于摩擦发电的PM2.5滤膜及其制备方法。该滤膜包括依次层叠设置的第一支撑层，第一高分子聚合物纤维层，第二高分子聚合物纤维层和第二支撑层；所述第一高分子聚合物纤维层设置在所述第一支撑层上，所述第二高分子聚合物纤维层设置在所述第二支撑层上，所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面。在有机械震动的环境下，例如人体呼吸环境下，高分子聚合物纤维层之间摩擦而产生电荷，保持高分子聚合物纤维层带有的静电荷量，可以长时的产生电荷而维持高效的静电除尘效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种多功能性滤膜，尤其涉及一种基于摩擦发电的PM2.5滤膜及其制备方法。
背景技术
PM2.5颗粒也被称为细颗粒物，其是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5μm的颗粒物。PM2.5颗粒能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。PM2.5颗粒对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物相比，PM2.5颗粒其粒径小，比表面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），可以直接进入肺泡，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。
现有普通的纤维过滤材料主要依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降等机械阻挡作用来过滤空气中的微粒，因此对粒径小于1μm的粒子过滤效果不理想。只有当过滤材料孔径小与密度高时才能高效地捕获这些微小的颗粒，然而这会导致过滤材料空气阻力增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中存在的缺陷，提供一种多功能性滤膜，以过滤空气中的PM2.5颗粒。本发明基于摩擦发电的PM2.5滤膜以静电纺织的方法制备其结构中的高分子聚合物纤维层，在有机械震动的环境下，例如人体呼吸环境下，高分子聚合物纤维层之间摩擦而产生电荷，保持高分子聚合物纤维层带有的静电荷量，可以长时的产生电荷而维持高效的静电除尘效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第一技术方案为，一种基于摩擦发电的PM2.5滤膜，包括依次层叠设置的第一支撑层，第一高分子聚合物纤维层，第二高分子聚合物纤维层和第二支撑层；所述第一高分子聚合物纤维层设置在所述第一支撑层上，所述第二高分子聚合物纤维层设置在所述第二支撑层上，所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面。
由于所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层经静电纺丝形成，其自身带有静电荷（可以称作第一部分静电荷），从而所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层不经过摩擦发电前是带静电荷（第一部分静电荷）的高分子聚合物纤维层。然后当所述基于摩擦发电的PM2.5滤膜受到力作用时，所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层形变进行摩擦，以产生静电荷（可以称作第二部分静电荷），从而保持所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层中的静电荷量。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，所述第一高分子聚合物纤维层所用材料选自聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；所述第二高分子聚合物纤维层所用材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈。由于需要摩擦，在材料选择上基本为构成摩擦界面的两高分子聚合物纤维层在摩擦序列上一为易带正电材料，一为易带负电材料。优选的为如下材料之间构成摩擦界面：聚二甲基硅氧烷与聚对苯二甲酸乙二酯，尼龙6与聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏氟乙烯与聚丙烯腈。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，构成所述第一高分子聚合物纤维层的纤维的直径为0.5-1μm；构成所述第二高分子聚合物纤维层的纤维的直径为1-3μm。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，所述第一高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm；所述第二高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，所述第二高分子聚合物纤维层和第二支撑层之间进一步设置有第三高分子聚合物纤维层，所述第三高分子聚合物纤维层设置在第二支撑层上，所述第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面；
所述第三高分子聚合物纤维层经静电纺丝形成，所述第三高分子聚合物纤维层是带静电荷的高分子聚合物纤维层；
当所述基于摩擦发电的PM2.5滤膜受到力作用时，所述第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层形变进行摩擦，以产生静电荷，从而保持所述第三高分子聚合物纤维层中的静电荷量。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，所述第三高分子聚合物纤维层和第一高分子聚合物纤维层所用材料相同或不同，选自聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。第三高分子聚合物纤维层的选择标准与上面描述的第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层的选择标准相同。由于需要摩擦，在材料选择上基本为构成摩擦界面的两高分子聚合物纤维层在摩擦序列上一为易带正电材料，一为易带负电材料。优选的为如下材料之间构成摩擦界面：聚二甲基硅氧烷与聚对苯二甲酸乙二酯，尼龙6与聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏氟乙烯与聚丙烯腈。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，构成所述第三高分子聚合物纤维层的纤维的直径为0.5-1μm；所述第三高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，构成所述第一高分子聚合物纤维层、第二高分子聚合物纤维层和/或第三高分子聚合物纤维层的纤维中掺杂有活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，所述第一支撑层和第二支撑层所用材料是静电绵或无纺布。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，所述第一支撑层和第二支撑层所用材料是等离子体处理后的静电绵或离子体处理后的无纺布。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第二技术方案为，一种基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，该方法包括：
（1）制成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第一支撑层的表面沉积用于形成第一高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体；
（2）制成第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第二支撑层的表面沉积用于形成第二高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体；
（3）组合
按照第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层相对设置，将第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体置于第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体上，以使所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面，得到基于摩擦发电的PM2.5滤膜。
为了解决上述技术问题，本发明采用的第三技术方案为，一种基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，该方法包括：
（1）制成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第一支撑层的表面沉积用于形成第一高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体；
（2）制成第二高分子聚合物纤维层
采用静电纺丝的方法，在基底的表面沉积用于形成第二高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成基底/第二高分子聚合物纤维层的层叠体；然后分离所得层叠体中的基底和第二高分子聚合物纤维层，得到第二高分子聚合物纤维层；
（2’）制成第二支撑层/第三高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第二支撑层的表面沉积用于形成第三高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成第二支撑层/第三高分子聚合物纤维层的层叠体；
（3）组合
按照第二高分子聚合物纤维层置于第一高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合物纤维层之间，将步骤（1）所得层叠体、步骤（2）所得第二高分子聚合物纤维层和步骤（2’）所得层叠体进行层叠设置，以使所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层之间，以及第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面，得到基于摩擦发电的PM2.5滤膜。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，步骤（1）和步骤（2’）所得的第一高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合物纤维层的纤维的直径为0.5-1μm；步骤（2）所得的第二高分子聚合物纤维层的纤维的直径为1-3μm。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，步骤（1）和步骤（2’）所得的第一高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm；步骤（2）所得的第二高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，步骤（1）和步骤（2’）中，将选自聚丙烯或聚乙烯的高分子聚合物材料熔融，或将选自聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯的高分子聚合物材料溶于有机溶剂（例如体积比为5-12：3-8的二甲基甲酰胺/丙酮混合溶液），得到静电纺丝液，本领域技术人员容易根据所选的高分子聚合物选择适当的有机溶剂和适当的用量，例如高分子聚合物材料与混合溶液的质量体积比为1-2：8-20（g/mL）。然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离10-20cm，注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为8-15kV。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，步骤（2）中，将选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈的高分子聚合物材料溶于有机溶剂（例如2,2,2-三氟乙醇），得到静电纺丝液，本领域技术人员容易根据所选的高分子聚合物选择适当的有机溶剂和适当的用量，其中高分子聚合物材料与溶剂的质量体积比为0.5-2：1-5（g/mL），然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离8-15cm，注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为10-20kV。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，在进行静电纺丝前，将所述第一支撑层和第二支撑层进行等离子体处理1-4分钟。
前述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，将选自活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子的粒子加入到静电纺丝液中，混合均匀，然后进行静电纺丝；其中所述粒子的加入量是以高分子聚合物材料量为100wt%计的5-10wt%，所述粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。
本发明的基于摩擦发电的PM2.5滤膜至少具有如下有益效果：以摩擦而产生电荷，在有机械震动的环境下，例如人体呼吸的环境下，可以长时间的产生电荷而维持高效的静电除尘效果。
附图说明
图1为本发明基于摩擦发电的PM2.5滤膜的结构示意图。
图2为静电纺丝制成的聚偏氟乙烯-聚丙烯无纺布层叠体中聚偏氟乙烯表面电压随时间流逝图。
图3是聚偏氟乙烯纤维的扫描电子显微镜图（放大倍数10k）。
图4是掺杂5wt%活性碳的聚偏氟乙烯纤维的扫描电子显微镜图（放大倍数10k）。
图5是图3聚偏氟乙烯纤维和图4掺杂5wt%活性碳的聚偏氟乙烯纤维的吸水性能对比图。
图6是聚甲基丙烯酸甲酯纤维的扫描电子显微镜图（放大倍数10k）。
图7为本发明另一种具体实施方式的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的结构示意图。
图8是本发明实施例各样品PM2.5颗粒过滤效果曲线图。
图9是本发明实施例1的第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层构成的摩擦发电机的电压输出图。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。
图1所示是本发明一种具体实施方式的基于摩擦发电的PM2.5滤膜1。该基于摩擦发电的PM2.5滤膜1包括依次层叠设置的第一支撑层11，第一高分子聚合物纤维层12，第二高分子聚合物纤维层13和第二支撑层14。第一高分子聚合物纤维层12和第二高分子聚合物纤维层13分别具有第一侧面和第二侧面。所述第一高分子聚合物纤维层12设置在第一支撑层11上，第一高分子聚合物纤维层12与第一支撑层11接触的侧表面为第一侧表面，而其另一表面为第二侧表面。所述第二高分子聚合物纤维层13设置在第二支撑层14上，第二高分子聚合物纤维层13与第二支撑层14接触的侧表面为第一侧表面，而其另一表面为第二侧表面。所述第一高分子聚合物纤维层12的第二侧表面和所述第二高分子聚合物纤维层13的第二侧表面之间形成摩擦界面。所述第一高分子聚合物纤维层12和所述第二高分子聚合物纤维层13经静电纺丝形成，所述第一高分子聚合物纤维层12和所述第二高分子聚合物纤维层13自身是带静电荷的高分子聚合物纤维层。当所述基于摩擦发电的PM2.5滤膜受到力作用时，所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层形变（例如弯曲）进行摩擦以产生静电荷，从而保持所述第一高分子聚合物纤维层12和所述第二高分子聚合物纤维层13中的静电荷量。
在本具体实施方式中，所述第一高分子聚合物纤维层12所用材料选自聚丙烯（优选等规聚丙烯）、聚乙烯（优选高密度聚乙烯）、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；所述第二高分子聚合物纤维层13所用材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈。由于需要摩擦，在材料选择上基本为构成摩擦界面的两高分子聚合物纤维层在摩擦序列上一为易带正电材料，一为易带负电材料。优选的为如下材料之间构成摩擦界面：聚二甲基硅氧烷与聚对苯二甲酸乙二酯，尼龙6与聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏氟乙烯与聚丙烯腈。
减小纤维的直径，增加纤维的密度可以增加过滤效率，但同时会增加通过高分子聚合物纤维层的阻力，因此优选的，构成所述第一高分子聚合物纤维层12的纤维的直径为0.5-1μm；构成所述第二高分子聚合物纤维层13的纤维的直径为1-3μm，第一高分子聚合物纤维层12的密度大约是0.7-0.9g/cm2（优选0.78g/cm2），第二高分子聚合物纤维层13的密度大约是0.9-1.2g/cm2（1.08g/cm2），达到了最佳过滤效果。所述第一高分子聚合物纤维层12的厚度为5-30μm；所述第二高分子聚合物纤维层13的厚度为5-30μm。
优选的，构成所述第一高分子聚合物纤维层12和/或第二高分子聚合物纤维层13的纤维中掺杂有活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子。上述活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子为常规市售粒子，掺杂量为以高分子聚合物材料量为100wt%计的5-10wt%，这些粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。
所述第一支撑层11和第二支撑层14所用材料可以是常规市售的静电绵或无纺布，优选聚丙烯无纺布。优选的，所述第一支撑层11和第二支撑层14所用材料是等离子体处理后的静电绵或无纺布。
第一高分子聚合物纤维层12和第二高分子聚合物纤维层13自身采用静电纺丝的方式制成，已经带有电荷，从而也有一定的PM2.5颗粒过滤效果。然而该电荷会随着时间的增加而流逝，并不能保证对PM2.5颗粒过滤的长时间有效。图2所示是静电纺丝制成的聚偏氟乙烯-聚丙烯无纺布层叠体中聚偏氟乙烯表面电压随时间流逝图。由图2可以看出，在500秒内聚偏氟乙烯表面电压急剧下降。
在有机械震动的环境下，例如人体呼吸的环境下，本申请过滤膜的第一高分子聚合物纤维层12表面和第二高分子聚合物纤维层13表面相互摩擦产生静电荷，该静电荷的产生会保持第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层中的电荷，从而使得本发明滤膜能够长时有效的过滤PM2.5颗粒。
下面详细说明本申请上述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜1的制备方法。
（1）制成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第一支撑层11的表面沉积用于形成第一高分子聚合物纤维层12的静电纺丝液，以形成第一支撑层11/第一高分子聚合物纤维层12的层叠体。
具体的，将选自聚丙烯或聚乙烯的高分子聚合物材料熔融，或将选自聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯或聚偏氟乙烯的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，优选聚偏氟乙烯溶于体积比为5-12：3-8（优选9：6）的二甲基甲酰胺/丙酮混合溶液（其中高分子聚合物材料与混合溶液的质量体积比为1-2（优选1.5）：8-20（优选15）（g/mL）），室温下搅拌均匀（优选24小时），得到静电纺丝液；然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟（优选10-20分钟）：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离10-20cm（优选15cm），注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr（优选0.3ml/hr）；高电压端接注射管上的金属针头，电压为8-15kV（优选（10kV）。图3所示是按照上述优选条件得到的聚偏氟乙烯纤维的扫描电子显微镜图。
本领域技术人员容易根据所选的高分子聚合物选择适当的有机溶剂和适当的用量制成静电纺丝液。具体的，可以将聚氯乙烯溶于四氢呋喃，二甲基甲酰胺，三氟代乙醇或二甲基甲酰胺；将聚二甲基硅氧烷溶于与聚乙烯吡咯烷酮/乙醇混合溶液，将聚酰亚胺溶于三氟代乙醇/甲醇混合溶液，将聚四氟乙烯溶于FC-77，将聚偏氟乙烯溶于(丙酮/二甲基甲酰胺混合溶液，或溶于丙酮/二甲基乙酰胺溶液。优选的，在静电纺丝液中加入表面活性剂，例如0.3-2wt%（优选1wt%）的聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100），以降低高分子聚合物材料的表面活性，从而增加纺丝速率。
优选的，在进行静电纺丝前，将所述第一支撑层11进行等离子体处理1-4分钟。等离子体处理对于静电纺丝与支撑材料的粘合有关键性的影响。具体的步骤是:将要处里的材料置于等离子处理机的腔体里，抽真空至约5.5Pa，打开高电压源，打开针阀使腔体里空气压力达到约7Pa，此时产生的电流为4～6mA，在此条件下处理1-4分钟（优选2分钟）。
优选的，将选自活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子的粒子加入到静电纺丝液中，混合均匀，然后进行静电纺丝；其中所述粒子的加入量是以高分子聚合物材料计的5-10wt%，所述粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。图4所示是掺杂5wt%活性碳的聚偏氟乙烯纤维的扫描电子显微镜图。图5所示是图3聚偏氟乙烯纤维和图4掺杂5wt%活性碳的聚偏氟乙烯纤维的吸水性能图，纵坐标的吸水比值代表干燥剂的吸水比例。吸水比值定义为干燥剂的吸水重量/干燥剂的原始重量(量测前在100℃烘箱里干燥1小时)，因此每隔一段时间量测干燥剂的重量即可得知吸水量。干燥剂放置于量测器件(一面开口)的空腔里，在空腔的开口端有一凹槽，可以放置薄膜，由于空腔开口的面积固定，因此进入空腔被干燥剂吸收的水重量只受薄膜的影响。而相同时间里，干燥剂较高的吸水量，表示较多的水分通过薄膜进入空腔被干燥剂吸收，因此间接说明薄膜的吸水量较少。由此可见，PVDF-活性炭薄膜有较佳的吸水效果。另外，本申请各高分子聚合物纤维层可以根据需要选择具体的复合薄膜以达到不同的目的，如除味、除有机分子、杀菌/抑菌的功能。
（2）制成第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第二支撑层14的表面沉积用于形成第二高分子聚合物纤维层13的静电纺丝液，以形成第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体。
具体的，将选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，优选聚甲基丙烯酸甲酯溶于2,2,2-三氟乙醇（其中高分子聚合物材料与溶剂的质量体积比为0.5-2：1-5（g/mL）），室温下搅拌均匀（优选4小时），得到静电纺丝液，然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟（优选5-10分钟）：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离8-15cm（优选10cm），注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr（优选0.3ml/hr）；高电压端接注射管上的金属针头，电压为10-20kV（优选15kV）。图6是按照上述方法得到的聚甲基丙烯酸甲酯纤维的扫描电子显微镜图。
本领域技术人员容易根据所选的高分子聚合物选择适当的有机溶剂和适当的用量制成静电纺丝液。例如将聚甲基丙烯酸甲酯溶于三氟乙醇或二甲基甲酰胺，将尼龙6溶于甲酸，将聚碳酸酯溶于氯仿或四氢呋喃，将乙酸纤维素溶于丙酮/二甲基乙酰胺混合溶液，将聚对苯二甲酸乙二酯溶于三氟乙醇/二氯甲烷混合溶液，将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺。
优选的，在进行静电纺丝前，将所述第二支撑层14进行等离子体处理1-4分钟。具体的步骤是:将要处理的材料置于等离子处理机的腔体里，抽真空至约5.5Pa，打开高电压源，打开针阀使腔体里空气压力达到约7Pa，此时产生的电流为4～6mA，在此条件下处理1-4分钟（优选2分钟）。
（3）组合
按照第一高分子聚合物纤维层12和第二高分子聚合物纤维层13相对设置，将第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体置于第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体上，以使所述第一高分子聚合物纤维层12和所述第二高分子聚合物纤维层13之间形成摩擦界面，得到基于摩擦发电的PM2.5滤膜1。
图7所示是本发明另一种具体实施方式的基于摩擦发电的PM2.5滤膜2。该基于摩擦发电的PM2.5滤膜2包括依次层叠设置的第一支撑层21，第一高分子聚合物纤维层22，第二高分子聚合物纤维层23，第三高分子聚合物纤维层24，和第二支撑层25。第一高分子聚合物纤维层22，第二高分子聚合物纤维层23和第三高分子聚合物纤维层24分别具有第一侧面和第二侧面。所述第一高分子聚合物纤维层22设置在第一支撑层21上，第一高分子聚合物纤维层22与第一支撑层21接触的侧表面为其第一侧表面，而其另一表面为第二侧表面。所述第三高分子聚合物纤维层24设置在第二支撑层25上，第三高分子聚合物纤维层24与第二支撑层25接触的侧表面为其第一侧表面，而其另一表面为第二侧表面。所述第一高分子聚合物纤维层22的第二侧表面和所述第二高分子聚合物纤维层23的第二侧表面之间，以及所述第二高分子聚合物纤维层23的第一侧表面和所述第三高分子聚合物纤维层24的第二侧表面之间形成摩擦界面。第一高分子聚合物纤维层22，第二高分子聚合物纤维层23和所述第三高分子聚合物纤维层24经静电纺丝形成，所述第一高分子聚合物纤维层22，第二高分子聚合物纤维层23和所述第三高分子聚合物纤维层24是带静电荷的高分子聚合物纤维层。当所述基于摩擦发电的PM2.5滤膜受到力作用时，所述第一高分子聚合物纤维层22，所述第二高分子聚合物纤维层23和所述第三高分子聚合物纤维层24形变（例如弯曲），第一高分子聚合物纤维层22和所述第二高分子聚合物纤维层23之间进行摩擦以及第二高分子聚合物纤维层23和所述第三高分子聚合物纤维层24之间进行摩擦，以产生静电荷，从而保持所述第一高分子聚合物纤维层22，所述第二高分子聚合物纤维层23，和所述第三高分子聚合物纤维层24中的静电荷量。
在本具体实施方式中，所述第一高分子聚合物纤维层22和第三高分子聚合物纤维层24所用材料相同或不同，选自聚丙烯（优选等规聚丙烯）、聚乙烯（优选高密度聚乙烯）、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；所述第二高分子聚合物纤维层23所用材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈。由于需要摩擦，在材料选择上基本为构成摩擦界面的两高分子聚合物纤维层在摩擦序列上一为易带正电材料，一为易带负电材料。优选的为如下材料之间构成摩擦界面：聚二甲基硅氧烷与聚对苯二甲酸乙二酯，尼龙6与聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏氟乙烯与聚丙烯腈。
减小纤维的直径，增加纤维的密度可以增加过滤效率，但同时会增加通过高分子聚合物纤维层的阻力，因此优选的，构成所述第一高分子聚合物纤维层22和第三高分子聚合物纤维层24的纤维的直径为0.5-1μm；构成所述第二高分子聚合物纤维层23的纤维的直径为1-3μm。所述第一高分子聚合物纤维层22和第三高分子聚合物纤维层24的厚度为5-30μm；所述第二高分子聚合物纤维层23的厚度为5-30μm。第一高分子聚合物纤维层22和第三高分子聚合物纤维层24的密度大约是0.7-0.9g/cm2（优选0.78g/cm2），第二高分子聚合物纤维层23的密度大约是0.9-1.2g/cm2（1.08g/cm2）。
优选的，构成所述第一高分子聚合物纤维层22，第二高分子聚合物纤维层23和/或第三高分子聚合物纤维层24的纤维中掺杂有活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子。上述活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子为常规市售粒子，掺杂量为以高分子聚合物材料量为100wt%计的5-10wt%，这些粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。
所述第一支撑层21和第二支撑层25所用材料可以是常规市售的静电绵或无纺布，优选聚丙烯无纺布。优选的，所述第一支撑层21和第二支撑层25所用材料是等离子体处理后的静电绵或无纺布。
第一高分子聚合物纤维层22，第二高分子聚合物纤维层23和第三高分子聚合物纤维层24自身采用静电纺丝的方式制成，已经带有电荷，从而也有一定的PM2.5颗粒过滤效果。然而该电荷会随着时间的增加而流逝，并不能保证对PM2.5颗粒过滤的长时间有效。在有机械震动的环境下，例如人体呼吸的环境下，本申请过滤膜的第一高分子聚合物纤维层22表面和第二高分子聚合物纤维层23表面，以及第二高分子聚合物纤维层23表面和第三高分子聚合物纤维层24表面相互摩擦产生静电荷，该静电荷的产生会保持第一高分子聚合物纤维层，第二高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合物纤维层24中的电荷，从而使得本发明滤膜能够长时有效的过滤PM2.5颗粒。
下面详细说明本申请上述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜2的制备方法。
（1）制成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第一支撑层21的表面沉积用于形成第一高分子聚合物纤维层22的静电纺丝液，以形成第一支撑层21/第一高分子聚合物纤维层22的层叠体。
具体的，将选自聚丙烯或聚乙烯的高分子聚合物材料熔融，或将选自聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，优选聚偏氟乙烯溶于体积比为5-12：3-8的二甲基甲酰胺/丙酮混合溶液（其中高分子聚合物材料与混合溶液的质量体积比为1-2：8-20（g/mL）），室温下搅拌均匀（优选24小时），得到静电纺丝液；然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟（优选10-20分钟）：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离10-20cm（优选15cm），注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr（优选0.3ml/hr）；高电压端接注射管上的金属针头，电压为8-15kV（优选（10kV）。
本领域技术人员容易根据所选的高分子聚合物选择适当的有机溶剂和适当的用量制成静电纺丝液。具体的，可以将聚氯乙烯溶于四氢呋喃，二甲基甲酰胺，三氟代乙醇或二甲基甲酰胺；将聚二甲基硅氧烷溶于与聚乙烯吡咯烷酮/乙醇混合溶液，将聚酰亚胺溶于三氟代乙醇/甲醇混合溶液，将聚四氟乙烯溶于FC-77，将聚偏氟乙烯溶于(丙酮/二甲基甲酰胺混合溶液，或溶于丙酮/二甲基乙酰胺溶液。
优选的，在静电纺丝液中加入表面活性剂，例如0.3-2wt%（优选1wt%）的聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100），以降低高分子聚合物材料的表面活性，从而增加纺丝速率。
优选的，在进行静电纺丝前，将所述第一支撑层21进行等离子体处理1-4分钟。具体的步骤是:将要处理的材料置于等离子处理机的腔体里，抽真空至约5.5Pa，打开高电压源，打开针阀使腔体里空气压力达到约7Pa，此时产生的电流为4～6mA，在此条件下处理1-4分钟（优选2分钟）。
优选的，将选自活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子的粒子加入到静电纺丝液中，混合均匀，然后进行静电纺丝；其中所述粒子的加入量是以高分子聚合物材料计的5-10wt%，所述粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。
（2）制成第二高分子聚合物纤维层23
采用静电纺丝的方法，在基底的表面沉积用于形成第二高分子聚合物纤维层23的静电纺丝液，以形成基底/第二高分子聚合物纤维层的层叠体；然后分离所得层叠体中的基底和第二高分子聚合物纤维层，得到第二高分子聚合物纤维层。该基底所用材料与支撑层相同。
本领域技术人员容易根据所选的高分子聚合物选择适当的有机溶剂和适当的用量制成静电纺丝液。具体的，将选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，优选聚甲基丙烯酸甲酯溶于2,2,2-三氟乙醇（其中高分子聚合物材料与溶剂的质量体积比为0.5-2：1-5（g/mL）），室温下搅拌均匀（优选4小时），得到静电纺丝液，然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟（优选5-10分钟）：放置基底的接收板作为接地端，与注射管的距离8-15cm（优选10cm），注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr（优选0.3ml/hr）；高电压端接注射管上的金属针头，电压为10-20kV（优选15kV）。
（2’）制成第二支撑层25/第三高分子聚合物纤维层24的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第二支撑层25的表面沉积用于形成第三高分子聚合物纤维层24的静电纺丝液，以形成第二支撑层25/第三高分子聚合物纤维层24的层叠体；
具体的，将选自聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯或聚偏氟乙烯的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，优选聚偏氟乙烯溶于体积比为5-12：3-8的二甲基甲酰胺/丙酮混合溶液（其中高分子聚合物材料与混合溶液的质量体积比为1-2：8-20（g/mL）），室温下搅拌均匀（优选24小时），得到静电纺丝液；然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟（优选10-20分钟）：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离10-20cm（优选15cm），注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr（优选0.3ml/hr）；高电压端接注射管上的金属针头，电压为8-15kV（优选（10kV）。
本领域技术人员容易根据所选的高分子聚合物选择适当的有机溶剂和适当的用量制成静电纺丝液。例如将聚甲基丙烯酸甲酯溶于三氟乙醇或二甲基甲酰胺，将尼龙6溶于甲酸，将聚碳酸酯溶于氯仿或四氢呋喃，将乙酸纤维素溶于丙酮/二甲基乙酰胺混合溶液，将聚对苯二甲酸乙二酯溶于三氟乙醇/二氯甲烷混合溶液，将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺。
优选的，在静电纺丝液中加入表面活性剂，例如0.3-2wt%（优选1wt%）的聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100），以降低高分子聚合物材料的表面活性，从而增加纺丝速率。
优选的，在进行静电纺丝前，将所述第二支撑层25进行等离子体处理1-4分钟。具体的步骤是:将要处理的材料置于等离子处理机的腔体里，抽真空至约5.5Pa，打开高电压源，打开针阀使腔体里空气压力达到约7Pa，此时产生的电流为4～6mA，在此条件下处理1-4分钟（优选2分钟）。
优选的，将选自活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子的粒子加入到静电纺丝液中，混合均匀，然后进行静电纺丝；其中所述粒子的加入量是以高分子聚合物材料计的5-10wt%，所述粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。
（3）组合
按照第二高分子聚合物纤维层23置于第一高分子聚合物纤维层22和第三高分子聚合物纤维层24之间，将步骤（1）所得层叠体、步骤（2）所得第二高分子聚合物纤维层23和步骤（2’）所得层叠体进行层叠设置，以使所述第一高分子聚合物纤维层22和所述第二高分子聚合物纤维层23之间，以及第二高分子聚合物纤维层23和所述第三高分子聚合物纤维层24之间形成摩擦界面，得到基于摩擦发电的PM2.5滤膜。
本发明的多功能性滤膜，用于过滤空气中的PM2.5颗粒。本发明的过滤膜以静电纺织的方法制备，可以制备单一材料，也可以产生多种高分子-无机材料\金属颗粒的复合滤膜。由于以摩擦而产生电荷，在有机械震动的环境下，例如人体呼吸的环境下，可以长时间的产生电荷而维持高效的静电除尘效果。
在支撑层上静电纺丝沉积第一高分子聚合物纤维层和/或第二高分子聚合物纤维层得到的层叠体，由于自身采用静电纺丝的方式制成，已经带有电荷，从而也可以用作滤膜，具有一定的PM2.5颗粒过滤效果。本发明基于摩擦发电的PM2.5滤膜还可以根据需要制成其它结构，例如如下结构的PM2.5滤膜：在第一支撑层上依次静电纺丝沉积第二高分子聚合物纤维层和第一高分子聚合物纤维层，在第二支撑层上依次静电纺丝沉积第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层，在第一支撑层上的第一高分子聚合物纤维层和在第二支撑层上的第二高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面，另外第一支撑层中的第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层之间，以及第二支撑层中的第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层之间也会产生摩擦生成电荷，从而保持高分子聚合物纤维层中的电荷，达到长时有效过滤的效果。
下面通过具体的实施例来阐述本发明的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。
实施例
实施例1
制备如图1所示的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，包括如下步骤：
（1）制成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体
将1.5g聚偏氟乙烯（上海汇普工业化学品有限公司）溶于体积比为9ml/6ml的二甲基甲酰胺/丙酮混合溶液，室温下搅拌24小时，得到静电纺丝液。在上述静电纺丝液中按照静电纺丝液量为100wt%，加入1wt%表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）。
然后采用如下工艺进行静电纺丝10分钟：放置支撑层（聚丙烯无纺布，深圳昌泰有限公司，厚度0.088～0.09mm,密度80g/m2）的接收板作为接地端，与注射管的距离15cm，注射管以注射泵推动，速度为0.3ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为10kV。得到第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体，其中第一高分子聚合物纤维层的厚度为20μm，构成该第一高分子聚合物纤维层的纤维的直径为0.8μm。
（2）制成第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体
将0.9g聚甲基丙烯酸甲酯（蓝博labebuy，规格SU）溶于3ml的2,2,2-三氟乙醇，室温下搅拌4小时，得到静电纺丝液。然后采用如下工艺进行静电纺丝5分钟：放置支撑层（聚丙烯无纺布）的接收板作为接地端，与注射管的距离10cm，注射管以注射泵推动，速度为0.3ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为15kV。得到第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体，其中第二高分子聚合物纤维层的厚度为20μm，构成该第一高分子聚合物纤维层的纤维的直径为2μm。
（3）组合
按照第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层相对设置，将第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体置于第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体上，以使所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面，得到基于摩擦发电的PM2.5滤膜（6号样品）。
实施例2
实施例2采用与实施例1基本相同的制备工艺，区别在于，在静电纺丝之前，将第一支撑层（聚丙烯无纺布，材质同实施例1）和第二支撑层（聚丙烯无纺布，材质同实施例1）分别进行等离子体处理2分钟，采用中科科仪的小型离子溅镀仪SBC-12，将第一支撑层和第二支撑层置于等离子处理机的腔体里，抽真空至约5.5Pa，打开高电压源，打开针阀使腔体里空气压力达到约7Pa，此时产生的电流为4～6mA，在此条件下处理2分钟。得到基于摩擦发电的PM2.5滤膜（7号样品）。
采用Bramc公司的空气质量测量仪（型号BR-Air-329）进行测试，测试条件方式是将测试的过滤膜盖在检测仪进风口上，量测室外的空气质量。图8是下面几种样品对PM2.5颗粒阻隔效果图。横坐标1号代表外界环境的PM2.5颗粒值，也就是说图7的阻隔效果是各样品置于PM2.5颗粒值约230μg/m3的大气环境下测试得到的。横坐标2号是两层聚丙烯无纺布，横坐标3号是单层聚丙烯无纺布+聚偏氟乙烯（相当于实施例1的步骤（1）层叠体），横坐标4号是单层聚丙烯无纺布+聚甲基丙烯酸甲酯（无等离子处理）（相当于实施例1的步骤（2）层叠体），横坐标5号是单层聚丙烯无纺布+聚甲基丙烯酸甲酯（有等离子处理）（相当于实施例2的步骤（2）层叠体），横坐标6号是聚偏氟乙烯+聚甲基丙烯酸甲酯（无等离子处理）（相当于实施例1的过滤膜），横坐标7号是聚偏氟乙烯+聚甲基丙烯酸甲酯（有等离子处理）（相当于实施例2的过滤膜）。
根据图8可以看出，样品4-7号皆可以将大气中约230μg/m3的PM2.5浓度降低到安全标准以下(<50μg/m3)。表1所示是1-7号的过滤PM2.5颗粒值。
表1
其中聚甲基丙烯酸甲酯的阻隔效果较聚偏氟乙烯好(4和5号样品效果比3号样品效果好)。这是由于空气中带正电的颗粒较多而聚甲基丙烯酸甲酯在静电纺织制程后是带正电的。而PVDF或PMMA经静电纺织沉积并等离子处理，本身已带电荷，因此单层的薄膜也有对PM2.5颗粒的阻隔效果。另外可以看出，本发明的基于摩擦发电的PM2.5滤膜（6和7号样品）阻隔效果要优于单层聚甲基丙烯酸甲酯薄膜（4和5号样品）阻隔效果，平均值降低到了22.5与24.625μg/m3。
另外，6和7号样品滤膜长时量测的数值稳定，标准偏差小，仅为6.55和6.80，这说明本发明过滤膜携带电荷的稳定。
结合图2和图8可以看出，第一高分子聚合物纤维层，第二高分子聚合物纤维层和/或第三高分子聚合物纤维层自身采用静电纺丝的方式制成，已经带有电荷，从而也有一定的PM2.5颗粒过滤效果。然而该电荷会随着时间的增加而流逝，并不能保证对PM2.5颗粒过滤的长时间有效。在有机械震动的环境下，例如人体呼吸的环境下，本申请过滤膜的第一高分子聚合物纤维层表面和第二高分子聚合物纤维层表面，和/或第二高分子聚合物纤维层表面和第三高分子聚合物纤维层表面相互摩擦产生静电荷，该静电荷的产生会保持第一高分子聚合物纤维层，第二高分子聚合物纤维层和/或第三高分子聚合物纤维层中的电荷，从而使得本发明滤膜能够长时有效的过滤PM2.5颗粒。
电压性能实施例
制成尺寸为2cm×2cm的摩擦发电机，总厚度大约是2.5mm左右。下面详细说明该摩擦发电机的制备方法。
1）将实施例1步骤（1）所得层叠体中的第一支撑层和第一高分子聚合物纤维层分离，得到聚偏氟乙烯纤维层，裁剪成需要的尺寸待用。
2）将实施例1步骤（2）所得层叠体中的第二支撑层和第二高分子聚合物纤维层分离，得到聚甲基丙烯酸甲酯纤维层，裁剪成需要的尺寸待用。
3）组装：采用两片铝箔分别作为第一电极层和第二电极层，将第一电极层粘贴于聚偏氟乙烯纤维层的第一侧面，将第二电极层粘贴于聚甲基丙烯酸甲酯纤维层的第一侧面，然后按照第一高分子聚合物纤维层的第二侧面和第二高分子聚合物纤维层的第二侧面相对，将第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层组合，在第一高分子聚合物纤维层的第二侧面和第二高分子聚合物纤维层的第二侧面之间形成摩擦界面。分别在第一电极层和第二电极层表面引出导线，采用塑料胶膜对摩擦发电机封装，得到摩擦发电机样品。
如图9所示，在所得摩擦发电机样品上施加150N的力，该摩擦发电机输出大于100V的电压。由此可见，本申请第一高分子纤维层和第二高分子纤维层摩擦可以产生较高的电压并电荷密度，其摩擦得到的电荷可以一直补充第一高分子纤维层和第二高分子纤维层里的电荷，从而起到较稳定的PM2.5颗粒阻隔效果。
最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (35)
1.一种基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，该滤膜包括依次层叠设置的第一支撑层、第一高分子聚合物纤维层、第二高分子聚合物纤维层和第二支撑层；所述第一高分子聚合物纤维层设置在所述第一支撑层上，所述第二高分子聚合物纤维层设置在所述第二支撑层上，所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面；
所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层经静电纺丝形成，所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层是带静电荷的高分子聚合物纤维层；
当所述基于摩擦发电的PM2.5滤膜受到力作用时，所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层形变进行摩擦，以产生静电荷，从而保持所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层中的静电荷量。
2.根据权利要求1所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，所述第一高分子聚合物纤维层所用材料选自聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；所述第二高分子聚合物纤维层所用材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈。
3.根据权利要求1或2所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，构成所述第一高分子聚合物纤维层的纤维的直径为0.5-1μm；构成所述第二高分子聚合物纤维层的纤维的直径为1-3μm。
4.根据权利要求1或2所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，所述第一高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm；所述第二高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm。
5.根据权利要求3所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，所述第一高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm；所述第二高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm。
6.根据权利要求1、2或5任一项所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，所述第二高分子聚合物纤维层和第二支撑层之间进一步设置有第三高分子聚合物纤维层，所述第三高分子聚合物纤维层设置在所述第二支撑层上，所述第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面；
所述第三高分子聚合物纤维层经静电纺丝形成，所述第三高分子聚合物纤维层是带静电荷的高分子聚合物纤维层；
当所述基于摩擦发电的PM2.5滤膜受到力作用时，所述第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层形变进行摩擦，以产生静电荷，从而保持所述第三高分子聚合物纤维层中的静电荷量。
7.根据权利要求3所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，所述第二高分子聚合物纤维层和第二支撑层之间进一步设置有第三高分子聚合物纤维层，所述第三高分子聚合物纤维层设置在所述第二支撑层上，所述第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面；
所述第三高分子聚合物纤维层经静电纺丝形成，所述第三高分子聚合物纤维层是带静电荷的高分子聚合物纤维层；
当所述基于摩擦发电的PM2.5滤膜受到力作用时，所述第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层形变进行摩擦，以产生静电荷，从而保持所述第三高分子聚合物纤维层中的静电荷量。
8.根据权利要求4所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，所述第二高分子聚合物纤维层和第二支撑层之间进一步设置有第三高分子聚合物纤维层，所述第三高分子聚合物纤维层设置在所述第二支撑层上，所述第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面；
所述第三高分子聚合物纤维层经静电纺丝形成，所述第三高分子聚合物纤维层是带静电荷的高分子聚合物纤维层；
当所述基于摩擦发电的PM2.5滤膜受到力作用时，所述第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层形变进行摩擦，以产生静电荷，从而保持所述第三高分子聚合物纤维层中的静电荷量。
9.根据权利要求6所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，所述第三高分子聚合物纤维层和第一高分子聚合物纤维层所用材料相同或不同，选自聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。
10.根据权利要求6所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，构成所述第三高分子聚合物纤维层的纤维的直径为0.5-1μm；所述第三高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm。
11.根据权利要求7-9任一项所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，构成所述第三高分子聚合物纤维层的纤维的直径为0.5-1μm；所述第三高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm。
12.根据权利要求6所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，构成所述第一高分子聚合物纤维层、第二高分子聚合物纤维层和/或第三高分子聚合物纤维层的纤维中掺杂有活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子。
13.根据权利要求7-10任一项所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，构成所述第一高分子聚合物纤维层、第二高分子聚合物纤维层和/或第三高分子聚合物纤维层的纤维中掺杂有活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子。
14.根据权利要求11所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，构成所述第一高分子聚合物纤维层、第二高分子聚合物纤维层和/或第三高分子聚合物纤维层的纤维中掺杂有活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子。
15.根据权利要求1-2、5、7-10、12、14所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，所述第一支撑层和第二支撑层所用材料是静电绵或无纺布。
16.根据权利要求15所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜，其特征在于，所述第一支撑层和第二支撑层所用材料是等离子体处理后的静电绵或等离子体处理后的无纺布。
17.一种基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，该方法包括：
(1)制成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第一支撑层的表面沉积用于形成第一高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体；
(2)制成第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第二支撑层的表面沉积用于形成第二高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体；
(3)组合
按照第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层相对设置，将第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体置于第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体上，以使所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面，得到基于摩擦发电的PM2.5滤膜。
18.根据权利要求17所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所得的第一高分子聚合物纤维层的直径为0.5-1μm；步骤(2)所得的第二高分子聚合物纤维层的纤维的直径为1-3μm。
19.根据权利要求17或18所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所得的第一高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm；步骤(2)所得的第二高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm。
20.根据权利要求19所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将选自聚丙烯或聚乙烯的高分子聚合物材料熔融，或将选自聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，得到静电纺丝液；然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离10-20cm，注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为8-15kV。
21.根据权利要求19所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，得到静电纺丝液，然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离8-15cm，注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为10-20kV。
22.根据权利要求20所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，得到静电纺丝液，然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离8-15cm，注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为10-20kV。
23.一种基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，该方法包括：
(1)制成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第一支撑层的表面沉积用于形成第一高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体；
(2)制成第二高分子聚合物纤维层
采用静电纺丝的方法，在基底的表面沉积用于形成第二高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成基底/第二高分子聚合物纤维层的层叠体；然后分离所得层叠体中的基底和第二高分子聚合物纤维层，得到第二高分子聚合物纤维层；
(2’)制成第二支撑层/第三高分子聚合物纤维层的层叠体
采用静电纺丝的方法，在第二支撑层的表面沉积用于形成第三高分子聚合物纤维层的静电纺丝液，以形成第二支撑层/第三高分子聚合物纤维层的层叠体；
(3)组合
按照第二高分子聚合物纤维层置于第一高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合物纤维层之间，将步骤(1)所得层叠体、步骤(2)所得第二高分子聚合物纤维层和步骤(2’)所得层叠体进行层叠设置，以使所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层之间，以及第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面，得到基于摩擦发电的PM2.5滤膜。
24.根据权利要求23所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2’)所得的第一高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合物纤维层的纤维的直径为0.5-1μm；步骤(2)所得的第二高分子聚合物纤维层的纤维的直径为1-3μm。
25.根据权利要求23或24所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2’)所得的第一高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm；步骤(2)所得的第二高分子聚合物纤维层的厚度为5-30μm。
26.根据权利要求25所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2’)中，将选自聚丙烯或聚乙烯的高分子聚合物材料熔融，或将选自聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，得到静电纺丝液；然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离10-20cm，注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为8-15kV。
27.根据权利要求25所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，得到静电纺丝液，然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离8-15cm，注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为10-20kV。
28.根据权利要求26所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，将选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈的高分子聚合物材料溶于有机溶剂，得到静电纺丝液，然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟：放置支撑层的接收板作为接地端，与注射管的距离8-15cm，注射管以注射泵推动，速度为0.1-0.5ml/hr；高电压端接注射管上的金属针头，电压为10-20kV。
29.根据权利要求17-18、20-24、26-28任一项所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，在进行静电纺丝前，将所述第一支撑层和第二支撑层进行等离子体处理1-4分钟。
30.根据权利要求19所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，在进行静电纺丝前，将所述第一支撑层和第二支撑层进行等离子体处理1-4分钟。
31.根据权利要求25所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，在进行静电纺丝前，将所述第一支撑层和第二支撑层进行等离子体处理1-4分钟。
32.根据权利要求17-18、20-24、26-28、30-31任一项所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，将选自活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子的粒子加入到静电纺丝液中，混合均匀，然后进行静电纺丝；其中所述粒子的加入量是以高分子聚合物材料量为100wt％计的5-10wt％，所述粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。
33.根据权利要求19所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，将选自活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子的粒子加入到静电纺丝液中，混合均匀，然后进行静电纺丝；其中所述粒子的加入量是以高分子聚合物材料量为100wt％计的5-10wt％，所述粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。
34.根据权利要求25所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，将选自活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子的粒子加入到静电纺丝液中，混合均匀，然后进行静电纺丝；其中所述粒子的加入量是以高分子聚合物材料量为100wt％计的5-10wt％，所述粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。
35.根据权利要求29所述的基于摩擦发电的PM2.5滤膜的制备方法，其特征在于，将选自活性碳粒子、ZnO粒子、金属银粒子或TiO2粒子的粒子加入到静电纺丝液中，混合均匀，然后进行静电纺丝；其中所述粒子的加入量是以高分子聚合物材料量为100wt％计的5-10wt％，所述粒子的体积粒径为0.1-0.5μm。
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