CN105597575A - 一种可降解的生物基空气过滤膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空气净化技术领域，具体提供了一种生物基可降解的高效空气过滤用纤维膜材料。这种空气过滤纤维膜以生物基高分子大豆蛋白和聚乙烯醇为主体材料，并以甲基纤维素、壳聚糖、羟乙基纤维素等水溶性天然高分子衍生物中的一种或几种为辅助材料，通过静电纺丝法制备得到。其中纳米纤维的直径为100-1000nm，纤维膜厚度为20um-100um，孔隙率可达到65％以上，孔径大小为10-100nm，过滤效率可以达到90％以上。该生物基可降解空气过滤膜经加工可用于口罩、纱窗、空气净化器等多种用途，安全可靠，成本低。同时，制备方法简单，对设备要求不高，生产成本低，得到的空气过滤膜净化效果好，吸附力强，可降解回收，具有良好的市场前景。

Description

一种可降解的生物基空气过滤膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，具体涉及一种可降解的生物基空气过滤用纤维膜材料及其制备方法。
背景技术
近二三十年来，我国中东部地区的雾霾问题日益严重，PM2.5和PM10已经严重危害了人体健康，影响了人们的正常工作生活。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，不仅体积小、重量轻、在空气中不易沉淀、存留时间长、飘浮距离远，还可搭载重金属、细菌病毒等各种有毒物质，经人体吸入后将会引起呼吸系统、免疫系统、神经系统各种疾病。
除了PM2.5和PM10以外，大气污染中的有害气体，家装材料、汽车内饰释放的甲醛也在严重危害人体健康。
另据医学研究表明：人类产生疾病的根本原因是由于各种有害病菌和病毒对人体的侵害所致。例如近年来肆意爆发的恶性病毒危机，它们更是成为空气滤清材料市场的“强心针”。回顾2003年中国抗击传染性非典型肺炎事件，由于SARS病毒其高效空气传播性，在短短不到3个月的时间里，全国累计报告诊断病例5327例，死亡349例。2014年爆发的埃博拉病毒危机是近年来最严重且规模最大的蔓延，已造成700多人死亡，同为空气传播，其感染致死率可高达90％。因此，研发抗菌(病毒)空气滤清材料，从而有效预防和控制有害病菌和病毒对人体的侵害，保障身体健康，净化生活环境，提高生活质量等一系列需求已成为今后的发展方向。
据研究调查，近些年，对空气过滤膜的研究发展迅速。在现有的文献和专利中，公开号为：CN103480285A的专利公开了通过静电纺丝法制备增强聚砜纳米纤维过滤膜用于空气过滤；公开号为：CN103585898A的专利公开了利用聚四氟乙烯口罩过滤膜进行PM2.5过滤；公开号为CN104174306A专利公开了一种抗菌空气过滤膜，以聚羟基丁酸戊酸共聚酯为原料，以甲壳素为抗菌剂，用于吸附空气中的污染物。公开号为CN103657256A的专利以壳聚糖、聚丙烯酸等制备nm纤维鼻腔滤膜；公开号为CN103691206A的专利利用热塑性可降解材料PLA制备空气净化可降解纱窗用夹层材料，通过加入MnO2实现对甲醛等有毒气体的吸附。可见，目前的空气过滤材料主要由聚丙烯、聚四氟乙烯等塑料的合成纤维制备而成，这给废弃后的产品回收再利用带来困难，处理不当易造成环境污染，且在制备过程中使用的一般都是有毒溶剂，同时到目前为止，空气过滤材料的主要功能还是过滤空气中的颗粒杂质，鲜有材料可以在不用添加剂的情况下实现对有毒有害气体的吸附，更不用说实现对细菌和病毒的多功能阻隔和杀灭。随着空气过滤膜使用的普遍化，环保型多功能材料将成为空气滤清器市场未来发展的趋势之一。生物高分子与其聚合物由于成本的优势和强大的功能性促使我们致力于环保级空气滤清材料的研发。这种环保型，多功能孔洞结构的空气过滤膜同时对空气污染和环境保护具有重大意义。
发明内容
本发明提供了一种可降解的生物基空气过滤用纤维膜材料，所述空气过滤膜由溶质与醋酸水溶液混合的聚合物溶液通过静电纺丝法制备而成，所述空气过滤膜的参数为：纤维直径为100-1000nm，膜的厚度为20um-100um，纤维膜孔隙率为65～82％,孔径大小为5-100nm；
其中，所述溶质至少包括大豆蛋白和聚乙烯醇。
所述大豆蛋白的含量55～85wt％，聚乙烯醇含量15～35wt％
所述溶质还包括至少一种以下成分：海藻糖、甲基纤维素、壳聚糖、羟乙基纤维素。
所述溶质的配方为：
配方一：大豆蛋白含量85wt％，聚乙烯醇含量15wt％；
配方二：大豆蛋白含量60wt％，海藻糖含量15wt％，聚乙烯醇含量35wt％；
配方三：大豆蛋白含量55wt％，甲基纤维素含量25wt％，聚乙烯醇含量20wt％；
配方四：大豆蛋白含量55wt％，甲基纤维素含量10wt％，海藻糖含量25wt％，聚乙烯醇含量10wt％；
配方五：大豆蛋白含量55wt％，壳聚糖含量15wt％，羟乙基纤维素含量15wt％，聚乙烯醇含量15wt％。
所述醋酸水溶液中，醋酸：水(v/v)＝8:2。
所述溶质占醋酸水溶液的质量分数为0.153～0.1685g/mL。
本发明还提供了该种空气过滤膜的制备方法：所述制备方法包括如下步骤：
1、将溶质与溶剂混合并搅拌得到均匀的聚合物溶液；
2、将所述聚合物溶液通过静电纺丝法制备得到空气过滤膜，其中，静电纺丝工艺参数为：纺丝电压为15～23kv，纺丝液流速为0.4～1.0ml/h，接收装置为金属或PVC网格膜，纺丝时间4～12h。
其中，所述溶质至少包括大豆蛋白和聚乙烯醇。
本发明所述的空气过滤膜可以用于制备口罩、纱窗、空气净化器及其滤芯。
有益效果
首先，本发明制得的生物基可降解高效空气过滤膜对PM2.5，PM10的过滤效率可以达到90％以上，对甲醛的过滤效率可以达到80％以上，同时具备一定的透光性，并可通过调整膜厚度满足对透光性的要求。。
其次，本发明的原料以大豆蛋白为主，具有很好的人体安全性，同时，其制备过程中不包含有毒有害的溶剂，膜成品人体安全系数高，同时很容易被降解回收，不污染环境。
最后，该生物基可降解空气过滤膜经加工可用于口罩、纱窗、空气净化器等多种用途，安全可靠，成本低。同时，制备方法简单，对设备要求不高，生产成本低，得到的空气过滤膜净化效果好，吸附力强，具有良好的市场前景。
具体实施方式。
实施例1
一种可降解高分子空气过滤膜，制备原料包括：大豆蛋白、聚乙烯醇和醋酸。
其中具体配方为：大豆蛋白含量85wt％，聚乙烯醇含量15wt％，溶剂为醋酸水溶液。
该空气过滤膜的制备方法如下：将2.60g大豆蛋白和0.46g聚乙烯醇溶于20ml的醋酸水溶液(V/V＝8/2)中，搅拌得到均匀的聚合物溶液，其中大豆蛋白的质量占总溶质的85wt％，聚乙烯醇的质量占总溶质的15wt％。总溶质比溶剂为0.153g/mL。
使用上述溶液通过静电纺丝法制备得到空气过滤膜，静电纺丝参数如下：纺丝电压为23kv，纺丝液流速为0.4ml/h，接收装置为聚氯乙烯(PVC)筛网，纺丝时间1h。
得到的空气过滤膜的参数为：纤维直径为100-300nm，膜的厚度为5um-10um,孔隙率为75％,孔径大小为5-20nm。申请人采用得到的空气过滤膜进行空气过滤实验，PM2.5过滤后为过滤前的5％，PM10过滤后为过滤前的3％，甲醛含量过滤后为过滤前的20％。
实施例2
一种可降解高分子空气过滤膜，制备原料包括：大豆蛋白、海藻糖、聚乙烯醇。
其中具体配方为：大豆蛋白含量60wt％，海藻糖含量15wt％，聚乙烯醇含量35wt％，溶剂为醋酸水溶液。
该空气过滤膜的制备方法如下：将1.84g大豆蛋白、0.46g海藻糖、1.07g聚乙烯醇溶于20ml的醋酸水溶液(V/V＝8/2)中，搅拌得到均匀的聚合物溶液，其中大豆蛋白的质量占总溶质的60wt％，海藻糖的质量占总溶质质量的15wt％，聚乙烯醇质量占总溶质质量的35wt％。总溶质比溶剂为0.1685g/mL。
使用上述溶液通过静电纺丝法制备得到空气过滤膜，静电纺丝参数如下：纺丝电压为18kv，纺丝液流速为0.6ml/h，接收装置为PVC筛网，纺丝时间2h。
得到的空气过滤膜的参数为：纤维直径为500-1000nm，膜的厚度为10-20um,孔隙率为80％,孔径大小为80-100nm。
申请人采用用得到的空气过滤膜进行空气过滤实验，PM2.5过滤后为过滤前的2％，PM10过滤后为过滤前的1.5％，甲醛过滤后为过滤前的15％。
实施例3
一种可降解高分子空气过滤膜，制备原料包括：大豆蛋白、甲基纤维素、聚乙烯醇。
其中具体配方为：大豆蛋白含量55wt％，甲基纤维素含量25wt％，聚乙烯醇含量20wt％，溶剂为醋酸水溶液。
该空气过滤膜的制备方法如下：将1.68g大豆蛋白、0.77g甲基纤维素、0.61g聚乙烯醇溶于20ml的醋酸水溶液(V/V＝8/2)中，搅拌得到均匀的聚合物溶液，其中大豆蛋白的质量占总溶质的55wt％，甲基纤维素的质量占总溶质质量的25wt％，聚乙烯醇质量占总溶质质量的20wt％。总溶质比溶剂为0.153g/mL。
使用上述溶液通过静电纺丝法制备得到空气过滤膜，静电纺丝参数如下：纺丝电压为15kv，纺丝液流速为0.5ml/h，接收装置为金属筛网，纺丝时间3h。
得到的空气过滤膜的参数为：纤维直径为300-500nm，膜的厚度为15-25um,孔隙率为65％,孔径大小为30-60nm。
申请人采用用得到的空气过滤膜进行空气过滤实验，PM2.5过滤后为过滤前的4％，PM10过滤后为过滤前的2.5％，甲醛过滤后为过滤前的18％。
实施例4
一种可降解高分子空气过滤膜，制备原料包括：大豆蛋白、甲基纤维素、海藻糖、聚乙烯醇。
其中具体配方为：大豆蛋白含量55wt％，甲基纤维素含量10wt％，海藻糖含量25wt％，聚乙烯醇含量10wt％，溶剂为醋酸水溶液。
该空气过滤膜的制备方法如下：将1.68g大豆蛋白、0.31g甲基纤维素、0.77g海藻糖、0.31g聚乙烯醇溶于20ml的醋酸水溶液(V/V＝8/2)中，搅拌得到均匀的聚合物溶液，其中大豆蛋白的质量占总溶质的55wt％，甲基纤维素的质量占总溶质质量的10wt％，海藻糖的质量占总溶质质量的25wt％，聚乙烯醇质量占总溶质质量的10wt％。总溶质比溶剂为0.1535g/mL。
使用上述溶液通过静电纺丝法制备得到空气过滤膜，静电纺丝参数如下：纺丝电压为22kv，纺丝液流速为1.0ml/h，接收装置为不锈钢筛网，纺丝时间2h。
得到的空气过滤膜的参数为：纤维直径为200-300nm，膜的厚度为10-15um,孔隙率为70％,孔径大小为10-30nm。
申请人采用用得到的空气过滤膜进行空气过滤实验，PM2.5过滤后为过滤前的6％，PM10过滤后为过滤前的4％，甲醛过滤后为过滤前的22％。
实施例5
一种可降解高分子空气过滤膜，制备原料包括：大豆蛋白、壳聚糖、羟乙基纤维素、聚乙烯醇。
其中具体配方为：大豆蛋白含量55wt％，壳聚糖含量15wt％，羟乙基纤维素含量15wt％，聚乙烯醇含量15wt％，溶剂为醋酸水溶液。
该空气过滤膜的制备方法如下：将1.68g大豆蛋白、0.46g壳聚糖、0.46g羟乙基纤维素、0.46g聚乙烯醇溶于20ml的醋酸水溶液(V/V＝8/2)中，搅拌得到均匀的聚合物溶液，其中大豆蛋白的质量占总溶质的55wt％，壳聚糖的质量占总溶质质量的15wt％，羟乙基纤维素的质量占总溶质质量的15wt％，聚乙烯醇质量占总溶质质量的15wt％。总溶质比溶剂为0.153g/mL。
使用上述溶液通过静电纺丝法制备得到空气过滤膜，静电纺丝参数如下：纺丝电压为23kv，纺丝液流速为0.6ml/h，接收装置为PVC筛网，纺丝时间0.75h。
得到的空气过滤膜的参数为：纤维直径为600-700nm，膜的厚度为8-15um,孔隙率为82％,孔径大小为10-20nm。
申请人采用用得到的空气过滤膜进行空气过滤实验，PM2.5过滤后为过滤前的10％，PM10过滤后为过滤前的6％，甲醛过滤后为过滤前的25％。

Claims (9)

1.一种可降解的生物基空气用纤维过滤膜，其特征在于：所述空气过滤过滤膜是由溶质与醋酸和水混合的溶液通过静电纺丝法制备而成，所述空气过滤膜的参数为：纤维直径为100-1000nm，膜的厚度为20um-100um，纤维膜孔隙率为65～82％，孔径大小为5-100nm；
其中，所述溶质至少包括大豆蛋白和聚乙烯醇。
2.根据权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述大豆蛋白的含量55～85wt％，聚乙烯醇含量15～35wt％。
3.根据权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述溶质还包括至少一种以下成分：海藻糖、甲基纤维素、壳聚糖、羟乙基纤维素。
4.根据权利要求3所述的空气过滤膜，其特征在于，所述溶质的配方为：
配方一：大豆蛋白含量85wt％，聚乙烯醇含量15wt％；
配方二：大豆蛋白含量60wt％，海藻糖含量15wt％，聚乙烯醇含量35wt％；
配方三：大豆蛋白含量55wt％，甲基纤维素含量25wt％，聚乙烯醇含量20wt％；
配方四：大豆蛋白含量55wt％，甲基纤维素含量10wt％，海藻糖含量25wt％，聚乙烯醇含量10wt％；
配方五：大豆蛋白含量55wt％，壳聚糖含量15wt％，羟乙基纤维素含量15wt％，聚乙烯醇含量15wt％。
5.根据权利要求1所述的空气过滤膜，其特征在于，所述醋酸水溶液中，醋酸：水(v/v)＝8:2。
6.根据权利要求5所述的空气过滤膜，其特征在于，所述溶质占醋酸水溶液的质量分数为0.153～0.1685g/ml。
7.一种权利要求1所述的空气过滤膜的制备方法：其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
将溶质与溶剂混合并搅拌得到均匀的聚合物溶液；
将所述聚合物溶液通过静电纺丝法制备得到空气过滤膜，其中，静电纺丝工艺参数为：纺丝电压为15～23kv，纺丝液流速为0.4～1.0ml/h，接收装置为PVC网格膜，纺丝时间4～12h；
其中，所述溶质至少包括大豆蛋白和聚乙烯醇。
8.根据7所述的空气过滤膜的制备方法：其特征在于：所述接收装置或为金属筛网，或为PVC筛网。
9.一种权利要求1所述的空气过滤膜的新用途，其特征在于：所述空气过滤膜用于制备口罩、纱窗、空气净化器及其滤芯。
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