CN105536349B

CN105536349B - 一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料及制备方法

Info

Publication number: CN105536349B
Application number: CN201510895820.6A
Authority: CN
Inventors: 胡文闯; 周电; 孙伟; 朱春蓉
Original assignee: ZHANGJIAGANG WANZHONGYIXIN BIOTECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHANGJIAGANG WANZHONGYIXIN BIOTECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2017-11-24
Anticipated expiration: 2035-12-08
Also published as: CN105536349A

Abstract

本发明提供了一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料及制备方法，特别适用于空气中的PM2.5微小颗粒物的过滤，具体步骤为：1）将有机固化剂、有机溶剂、水、催化剂按质量比为1:2:10:20：4~1:15:60:15混合，充分搅拌均匀，得混合液，2）将混合液与纤维材料整合，使混合溶液在纤维材料上充分附着，附着完全后自然晾干，即得用于空气过滤的纳米气凝胶材料。该发明技术方案完整，原料易购得，原料成本低，工艺流程简单，适用于空气过滤，可有效快速地过滤空气中的微粒、细菌、过敏物及病毒等。

Description

一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料及制备方法，属于环保材料技术领域。

背景技术

随着科学技术和现代工业的不断发展和进步，人们对室内外环境的空气质量要求越来越高，进而空气过滤也越来越受到人们的重视，特别是对空气中PM2.5的过滤。目前市面上过滤PM2.5的滤网都比较昂贵且需经常更换。

近年来，对空气过滤材料的研究主要集中在无纺布、纤维材料方面，纳米气凝胶材料出现后，对纳米功能性空气过滤材料的研究也取得了一定的进展，申请号201310090545.1采用喷涂的方式将纳米二氧化钛喷涂在毛毡型无纺布上，达到有效隔离、杀灭有害物质及有害菌的目的，但是采用的纳米二氧化钛粉成本较高，不适合大规模生产；申请号200880106108.1通过密封材料将由纤维和微珠组成的纳米纤维折叠成过滤器组合件应用于空气过滤器，虽然提高了过滤器的风量，降低了压力损失，但是其过滤材料的制备工艺复杂，纳米纤维的填充率低；申请号201410061713.9用一种超疏水性纳米气凝胶材料对过滤器的过滤网进行一定的纳米处理，应用于空气过滤器，但是没有得到实施和验证；申请号201410058311.3提供了一种对于PM2.5等粒子状物质捕集性能优异、空气压力损失小的空气过滤材料，但是这种材料的制备工艺复杂、成本较高。

目前，纳米纤维材料应用于空气过滤的方式主要为将纳米材料直接或与相关溶剂等按一定比例混合后，通过静电纺丝、熔喷纺丝等技术，与无纺布、玻璃纤维等纤维材料整合做成具有一定功能的空气过滤材料，进而做成空气过滤网应用于空气净化器，大量研究试验表明，使用纳米纤维可以大幅提高对于纳米及压微米颗粒的过滤效能。而且采用很薄的纳米纤维就可以实现高效过滤，并大幅提高过滤速度，实现快速而有效的空气过滤，因而纳米纤维过滤材料是行业的未来方向。

但由于纳米纤维大多是采用各种纺丝工艺制成，因此生产速度慢，设备投入大，生产成本贵。其次，纺丝工艺制成的纳米纤维是松散的在表面堆积形成薄膜，没有形成牢固的二维或三维网络，其机械稳定性差。在湿度大、

或温度高、或大气压等的情况下很容易损坏。而且其孔径大小不能很好控制，对于微小的病毒大分子不能有效过滤。

本发明提供一种基于有机气凝胶的纳米介孔材料应用于空气过滤，尤其对于PM2.5微小颗粒的有效过滤材料。该材料本身具有稳定的三维纳米纤维拓扑网络结构，纳米纤维大小、孔隙大小、及孔隙率都可以独立调控。且制备方法简单、速度快，产能大，成本低。采用很薄的纳米气凝胶材料，就可有效快速过滤空气中的微粒，细菌，过敏物，及病毒。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料和该材料的制备方法，应用于空气过滤，特别适用于过滤空气中的PM2.5微小颗粒物。

为实现以上目的，本发明的第一个目的在于提供一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料的制备方法，具体步骤为：

1)将有机固化剂、有机溶剂、水、催化剂按比例混合，充分搅拌均匀，得混合液，

2)将混合液与纤维材料整合，使混合溶液在纤维材料上充分附着，附着

结束后自然晾干，即得用于空气过滤的纳米气凝胶材料。

本发明的第二个目的在于提供一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料，其中，所述各物料的质量比为：有机固化剂：有机溶剂：水：催化剂=1:2:10:20:4~1:15:60:15。

优选的，所述步骤1）中有机固化剂为乙烯基酰胺、环氧树脂、叔胺、氰

酸酯或丙烯酸酯中的任意一种或多种。

优选的，所述步骤1）中有机溶剂为丙酮、乙醇、异丙醇、乙腈或DMF中

的任意一种或多种。

优选的，所述步骤1）中催化剂为DMSO、三乙胺或聚氨酯中的任意一种

或多种。

优选的，所述步骤2）中将混合液和附着材料整合的方式为以毛刷蘸刷、

以塑料喷壶喷涂或直接浸泡中的任意一种。

优选的，所述步骤2）中纤维材料为无纺布、无尘纸、过滤纸或玻璃纤维

中的任意一种。

所述步骤2）中用于空气过滤的纳米气凝胶材料与其他功能性过滤材

料复合成过滤网。

所述功能性过滤材料的平均孔径为 1nm至 300 nm，纳米纤维平均直径：

20nm -200 nm，比表面积为1m²/g-200 m²/g，密度为5 kg/m³- 400 kg/m³ ，孔隙率：60-99.9% ，吸水性：＜5%。

所述用于空气过滤的纳米气凝胶材料在空气中的PM2.5微小颗粒物过滤方面的应用。

通过喷涂次数或喷涂速度来控制纳米气凝胶材料的厚度。

通过控制反应物类型、反应物比例或成型后的密度来控制纳米气凝胶材料的粗细、纳米孔的大小、及孔隙率。

本发明的有益效果为：技术方案完整，原料易购得，原料成本低，工艺流程简单；适用于空气过滤，可有效快速地过滤空气中的微粒、细菌、过敏物及病毒等；特别适用于过滤空气中的PM2.5微小颗粒物。

附图说明

图1为密度范围为1 kg/m³- 40 kg/m³ 的有机纳米气凝胶的电子显微镜SEM图；

图2为没有喷涂气凝胶的基材纤维材料的光学显微镜图（200倍放大）；

图3为喷涂了本发明中的纳米气凝胶材料的光学显微镜图（400倍放大）。

具体实施方式

实施例1：

将六亚甲基二异氰酸酯三聚体10g、丙酮50mL、水 0.4g、聚氨酯0.03g充分搅拌混合均匀，获得密度范围为1 kg/m³- 40 kg/m³ 的有机纳米气凝胶溶液，直接用喷雾式喷壶喷涂到现有的无纺布上。喷涂完成后，待室温反应 6小时后再自然风干即可。获得的多孔纳米材料的平均孔径为 50 nm，纳米纤维平均直径为100nm，比表面积为 120m²/g，密度为11kg/m³，孔隙率为90% ，吸水性为 1%

图1为密度范围为1 kg/m³- 40 kg/m³ 的有机纳米气凝胶的电子显微镜SEM图，如图1所示，在该密度范围内，有机气凝胶为纳米纤维状的多空纳米材料。

图2为没有喷涂气凝胶的基材纤维材料的光学显微镜图（200倍放大），如图所示，基材的孔径很大，直接使用不能过滤PM2.5微小颗粒物或者病毒分子。

图3为喷涂了本发明中的纳米气凝胶材料的光学显微镜图（400倍放大），如图所示，可以看到纳米气凝胶成功的复合在了纤维材料表面，且喷涂了纳米气凝胶后，纤维材料的孔径明显变小。对这种密度范围为1 kg/m3- 40 kg/m3 的有机纳米气凝胶进行BET测试，如报告1，平均孔径为50nm，这种孔径可以有效地过滤PM2.5微小颗粒物。从这种材料的微观结构上能够说明这种材料可以用于空气过滤PM2.5。

实施例2：

将丙烯酸酯8 g、无水乙醇80mL、水0.6g、聚氨酯0.05g，充分搅拌混合均匀，获得密度范围为1 kg/m³- 40 kg/m³ 的有机纳米气凝胶溶液，直接用刷到现有过滤纸上，待室温3小时后再自然风干即可。通过蘸刷的次数或者速度多少来控制材料的厚度，获得的多孔纳米材料的平均孔径为 100 nm，纳米纤维平均直径为130nm，比表面积为 150m²/g，密度为9kg/m³，孔隙率为95% ，吸水性为 2%。

实施例3：

将乙烯基酰胺6g、异丙醇100mL、水 0.1g、DMSO0.04g，充分搅拌混合均匀，获得密度范围为1 kg/m³- 40 kg/m³ 的有机纳米气凝胶溶液，直接将无尘纸浸泡在有机纳米气凝胶溶液中，待室温反应 8小时后再自然风干即可。通过控制浸泡时间的长短来控制材料的厚度，获得的多孔纳米材料的平均孔径为 150 nm，纳米纤维平均直径为160nm，比表面积为180m²/g，密度为5kg/m³，孔隙率为98% ，吸水性为 2%。

实施例4：

上述实施例只是这种纳米材料应用于空气过滤的一种方式，基于这种材料的孔径大小、比表面积等基本性质，这种材料与功能性材料复合后同样可被应用于口罩，防雾霾、病毒等广泛的过滤领域。

综上，按照实施例1-4获得的多孔纳米材料的平均孔径为 1nm至 300 nm，纳米纤维平均直径：20nm 至200 nm，比表面积为1m²/g-200 m²/g，密度低，质量轻，5 kg/m3- 400kg/m³，孔隙率：60-99.9% ，吸水性：＜5%。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

将有机固化剂、有机溶剂、水、催化剂按比例混合，充分搅拌均匀得混合液，

将混合液与纤维材料整合，使混合溶液在纤维材料上充分附着，常温下附着完全后自然晾干，即得用于空气过滤的纳米气凝胶材料；所述各物料的质量比为：有机固化剂：有机溶剂：水：催化剂=1:2:10:20:4~1:15:60:15；用于空气过滤的纳米气凝胶材料与其他功能性过滤材料复合成过滤网。

2.如权利要求1所述的一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料的制备方法，其特征在于，有机固化剂为乙烯基酰胺、环氧树脂、叔胺、氰酸酯或丙烯酸酯中的任意一种或多种。

3.如权利要求1所述的一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料的制备方法，其特征在于，有机溶剂为丙酮、乙醇、异丙醇、乙腈或DMF中的任意一种或多种。

4.如权利要求1所述的一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料的制备方法，其特征在于，催化剂为DMSO、三乙胺或聚氨酯中的任意一种或多种。

5.如权利要求1所述的一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料的制备方法，其特征在于，将混合液和附着材料整合的方式为以毛刷蘸刷、以塑料喷壶喷涂或直接浸泡中的任意一种。

6.如权利要求1所述的一种用于空气过滤的纳米气凝胶材料的制备方法，其特征在于，纤维材料为无纺布、无尘纸、过滤纸或玻璃纤维中的任意一种。

7.如权利要求1中所述制备方法得到的纳米气凝胶材料，其特征在于，所述功能性过滤材料的平均孔径为 1nm至 300 nm，纳米纤维平均直径：20nm -200 nm，比表面积为1m²/g-200 m²/g，密度为5 kg/m3- 400 kg/m³ ，孔隙率：60-99.9% ，吸水性：＜5%。

8.如权利要求7中所述纳米气凝胶材料在空气中的PM2.5微小颗粒物过滤方面的应用。