CN106436316A - 一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料及其制备方法 - Google Patents

一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料，由以下重量份的原料组分：聚醚酰亚胺75‑90份，一氧化硅7‑11份，粉末活性炭10‑16份，3‑氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂1‑2份，冰乙酸0.8‑2份，去离子水适量，偏钛酸3‑6份，0.6mol/L的AgNO3溶液适量，N‑甲基吡咯烷酮适量，纳米纤维素晶体5‑9份，氢氧化钠0.2‑0.6份，氯乙酸0.4‑0.8份。本发明制备出含有α‑石英的硅纳米线，通过静电纺丝技术制备静电纺/驻极体复合纤维过滤材料，具有优异的电荷储存稳定性能，大大提高滤材的过滤效率；另外添加纳米银载入纳米二氧化钛，提高过滤材料的抗菌持久性能，达到长期高效的过滤效果。

Description

一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于空气过滤领域，具体涉及一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料及其制备方法。
技术背景
随着工业化进程的深入和快速发展，排放到大气中的粉尘颗粒物急剧增加，其中PM2.5（粒径小于2.5µm的颗粒污染物）会对人类的健康造成严重的伤害，其被吸入人体后会直接进入支气管，引发哮喘、支气管炎、尘肺和心血管病等疾病，这是造成我国肺癌患者急剧增加的主要原因之一。因此空气过滤设备成为了研究热点，其核心过滤材料的研究和开发更是成为了重中之重。
传统的熔喷非织造驻极材料经过驻极处理，表面带上电荷使其具有较高的过滤效率，但其电荷稳定性易受环境影响，且电荷衰减速率较快，过滤效率随之大幅下降。此外，驻极过程作为一项必须的后处理工艺也在一定程度上增加了生产成本。
静电纺丝过程需要施加高压，在纺丝溶液中加入性能优异的无机驻极体，通过静电纺丝，使纤维和无极驻极体都带上电荷，利用静电吸附可以大大增强静电纺/驻极体复合纤维膜的过滤效率，并降低阻力压降，可以对PM2.5进行有效的防护。
李小崎、高晶副等人在《驻极聚醚酰亚胺-二氧化硅纳米纤维膜在空气过滤中的应用》一文中采用静电纺丝技术，首先以聚醚酰亚胺（PEI）为原料，制备出不同浓度的PEI溶液，添加二氧化硅、氮化硅、钛酸钡等驻极体，驻极体的加入使静电纺纤维膜带上大量空间电荷，使其过滤效率有较大的提高。
本发明将硅纳米线作为无机驻极体加入到聚醚酰亚胺纺丝液中，制备聚醚酰亚胺复合纤维过滤材料，添加载银纳米二氧化钛提高复合纤维过滤材料的抗菌型，提高驻极体过滤材料的过滤性能。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料及其制备方法。
一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料，由以下重量份的原料组分：聚醚酰亚胺75-90份，一氧化硅7-11份，粉末活性炭10-16份，3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂1-2份，冰乙酸0.8-2份，去离子水适量，偏钛酸3-6份，0.6mol/L的AgNO3溶液适量，N-甲基吡咯烷酮适量，纳米纤维素晶体5-9份，氢氧化钠0.2-0.6份，氯乙酸0.4-0.8份。
具体步骤如下：
（1）载银纳米二氧化钛的制备：
将偏钛酸加入去离子水中，控制溶液浓度在0.4-0.7mol/L，加热至105-125℃使其维持沸腾，发生水解反应生成白色偏钛酸沉淀，离心过滤、洗涤至沉淀中不再检出SO4 2-离子，浸渍在0.6mol/L的AgNO3溶液中，在70-90℃下烘干后在460-490℃下煅烧1-2小时，得到载银纳米二氧化钛；
（2）硅纳米线的制备：
将装有一氧化硅粉末的小瓷舟水平放置于氧化铝管中间，然后将该管放在高温管式炉中，抽真空在80-100Pa，然后将温度分别升高到100-200、800-1100℃并分别保温50-70分钟，之后升温到1300-1400℃保温3-5小时；之后以1-3℃/min的速率降温到550-650℃并保温20-40分钟，同时以50sccm鼓入空气到炉腔，自然冷却至室温，得到硅纳米线，备用；
（3）活性炭负载硅纳米线的制备：
①、将3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂加入到去离子水，并用少量冰乙酸调节pH至4，在室温下搅拌20-40分钟，之后加入步骤（1）得到的硅纳米线，在80-100℃回流反应11-13小时，抽滤、洗涤、干燥，得到氨基化硅纳米线复合物；
②、将得到的氨基化硅纳米线复合物、粉末活性炭加入到去离子水，用超声波在40℃、150W的条件下混匀20-40分钟，室温下静止老化24小时，用去离子水清洗多次至流出液呈中性，110-120℃烘干10-14小时至恒重，再置于马弗炉中380-420℃焙烧3-5小时，冷却、干燥，制得活性炭负载硅纳米线；
（4）纺丝溶液的配制：
①、将步骤（1）得到载银纳米二氧化钛、步骤（3）制得活性炭负载硅纳米线加入N-甲基吡咯烷酮中，放在超声波清洗器中超声1-3小时，设为溶液A；
②、在室温条件下，将聚醚酰亚胺与N-甲基吡咯烷酮以1:3-4的比例混合，用封口膜封住瓶口，放在油浴中55-65℃加热18-22小时，设为溶液B，置于磁力搅拌器上搅拌，缓慢加入上述溶液A，继续搅拌7-9小时，配置成流动性良好的纺丝液；
（5）羧甲基化改性纳米纤维素晶体悬浮液的制备：
将纳米纤维素晶体分散于去离子水中，加入氢氧化钠搅拌至其完全溶解，再加入氯乙酸不断搅拌，在40-50℃下超声震荡处理10-13小时，洗涤干燥，得到羧甲基化改性纳米纤维素晶体，加入去离子水于10-20℃水浴中，经过机械处理配制成浓度为0.5-1%的纳米纤维素晶体悬浮液；
（6）将上述纺丝溶液进行静电纺丝，在制备的纳米纤维膜外部均匀涂布步骤（5）得到的羧甲基化改性纳米纤维素晶体悬浮液，放入真空烘箱中进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥时间为8-12小时，得到纳米纤维素晶体/静电纺复合纳米纤维膜过滤材料。
其中，所述的静电纺丝工艺参数为：电压为1-50KV，针头到接收模板距离为0.1-2m，喷丝头直径为1μm-2mm，纺丝速度为0.1-20mL/h，纺丝时间为8-10小时，环境温度为20-60℃，环境相对湿度为20-80%。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明制备出含有α-石英的硅纳米线，由于α-石英形成过程中的体积膨胀被外层的无定形二氧化硅限制而使α-石英产生了压电效应，同时将产生的电荷储存于外层具有良好电荷储存性能的无定形二氧化硅层中，从而表现出很好的驻极体行为，通过静电纺丝技术一步制备静电纺/驻极体复合纤维过滤材料，在净化PM2.5粒子时具有孔径小、孔隙率高、低空气阻力等优点，并且具有优异的电荷储存稳定性能，大大提高滤材的过滤效率。
（2）活性炭具有丰富的孔隙结构和独特的化学官能团，是环境友好型优良吸附剂，本发明使用活性炭负载经硅烷偶联剂处理后的硅纳米线，提高活性炭对硅纳米线的负载量，两者复配使用提高滤材对空气中有害物质的吸附。
（3）采用纳米银载入纳米二氧化钛进行表面改性，可以将光的利用范围扩展到可见光，在可见光催化的条件下实现分解过滤材料长期吸附的空气中的微尘等有害物质，而且两者协同分解过滤材料上滋生的细菌、病毒等微生物，提高过滤材料的自清洁性能、抗菌持久性能，达到长期高效的过滤效果。
（4）本发明在聚醚酰亚胺纳米纤维膜过滤材料外部均匀涂布纳米纤维素晶体，在纳米纤维膜表层形成一种网络结构，因而具有优良的耐磨性能，在实际使用时极大的延长了过滤材料的使用寿命。
具体实施方式
一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料，由以下重量份的原料组分：聚醚酰亚胺85，一氧化硅9，粉末活性炭15，3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂2，冰乙酸1，去离子水适量，偏钛酸5，0.6mol/L的AgNO3溶液适量，N-甲基吡咯烷酮适量，纳米纤维素晶体8，氢氧化钠0.4，氯乙酸0.6。
具体步骤如下：
（1）载银纳米二氧化钛的制备：
将偏钛酸加入去离子水中，控制溶液浓度在0.6mol/L，加热至115℃使其维持沸腾，发生水解反应生成白色偏钛酸沉淀，离心过滤、洗涤至沉淀中不再检出SO4 2-离子，浸渍在0.6mol/L的AgNO3溶液中，在80℃下烘干后在480℃下煅烧1小时，得到载银纳米二氧化钛；
（2）硅纳米线的制备：
将装有一氧化硅粉末的小瓷舟水平放置于氧化铝管中间，然后将该管放在高温管式炉中，抽真空在90Pa，然后将温度分别升高到200、900℃并分别保温60分钟，之后升温到1350℃保温4小时；之后以2℃/min的速率降温到600℃并保温30分钟，同时以50sccm鼓入空气到炉腔，自然冷却至室温，得到硅纳米线，备用；
（3）活性炭负载硅纳米线的制备：
①、将3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂加入到去离子水，并用少量冰乙酸调节pH至4，在室温下搅拌30分钟，之后加入步骤（1）得到的硅纳米线，在95℃回流反应12小时，抽滤、洗涤、干燥，得到氨基化硅纳米线复合物；
②、将得到的氨基化硅纳米线复合物、粉末活性炭加入到去离子水，用超声波在40℃、150W的条件下混匀30分钟，室温下静止老化24小时，用去离子水清洗多次至流出液呈中性，115℃烘干12小时至恒重，再置于马弗炉中400℃焙烧4小时，冷却、干燥，制得活性炭负载硅纳米线；
（4）纺丝溶液的配制：
①、将步骤（1）得到载银纳米二氧化钛、步骤（3）制得活性炭负载硅纳米线加入N-甲基吡咯烷酮中，放在超声波清洗器中超声2小时，设为溶液A；
②、在室温条件下，将聚醚酰亚胺与N-甲基吡咯烷酮以1:4的比例混合，用封口膜封住瓶口，放在油浴中60℃加热20小时，设为溶液B，置于磁力搅拌器上搅拌，缓慢加入上述溶液A，继续搅拌8小时，配置成流动性良好的纺丝液；
（5）羧甲基化改性纳米纤维素晶体悬浮液的制备：
将纳米纤维素晶体分散于去离子水中，加入氢氧化钠搅拌至其完全溶解，再加入氯乙酸不断搅拌，在45℃下超声震荡处理12小时，洗涤干燥，得到羧甲基化改性纳米纤维素晶体，加入去离子水于20℃水浴中，经过机械处理配制成浓度为0.6%的纳米纤维素晶体悬浮液；
（6）将上述纺丝溶液进行静电纺丝，在制备的纳米纤维膜外部均匀涂布步骤（5）得到的羧甲基化改性纳米纤维素晶体悬浮液，放入真空烘箱中进行干燥，干燥温度为75℃，干燥时间为11小时，得到纳米纤维素晶体/静电纺复合纳米纤维膜过滤材料。
其中，所述的静电纺丝工艺参数为：电压为12KV，针头到接收模板距离为20cm，喷丝头直径为0.5mm，纺丝速度为0.6mL/h，纺丝时间为9小时，环境温度为25℃，环境相对湿度为55%。
产品性能测试结果：
透气性：184.58L/m2·s，孔隙率：>80%，压阻：<20Pa，对0.006-1μm的颗粒的过滤效率可达99.999％以上。

Claims (3)

1.一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料，其特征在于，由以下重量份的原料组分：聚醚酰亚胺75-90份，一氧化硅7-11份，粉末活性炭10-16份，3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂1-2份，冰乙酸0.8-2份，去离子水适量，偏钛酸3-6份，0.6mol/L的AgNO3溶液适量，N-甲基吡咯烷酮适量，纳米纤维素晶体5-9份，氢氧化钠0.2-0.6份，氯乙酸0.4-0.8份。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）载银纳米二氧化钛的制备：
将偏钛酸加入去离子水中，控制溶液浓度在0.4-0.7mol/L，加热至105-125℃使其维持沸腾，发生水解反应生成白色偏钛酸沉淀，离心过滤、洗涤至沉淀中不再检出SO4 2-离子，浸渍在0.6mol/L的AgNO3溶液中，在70-90℃下烘干后在460-490℃下煅烧1-2小时，得到载银纳米二氧化钛；
（2）硅纳米线的制备：
将装有一氧化硅粉末的小瓷舟水平放置于氧化铝管中间，然后将该管放在高温管式炉中，抽真空在80-100Pa，然后将温度分别升高到100-200、800-1100℃并分别保温50-70分钟，之后升温到1300-1400℃保温3-5小时；之后以1-3℃/min的速率降温到550-650℃并保温20-40分钟，同时以50sccm鼓入空气到炉腔，自然冷却至室温，得到硅纳米线，备用；
（3）活性炭负载硅纳米线的制备：
①、将3-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂加入到去离子水，并用少量冰乙酸调节pH至4，在室温下搅拌20-40分钟，之后加入步骤（1）得到的硅纳米线，在80-100℃回流反应11-13小时，抽滤、洗涤、干燥，得到氨基化硅纳米线复合物；
②、将得到的氨基化硅纳米线复合物、粉末活性炭加入到去离子水，用超声波在40℃、150W的条件下混匀20-40分钟，室温下静止老化24小时，用去离子水清洗多次至流出液呈中性，110-120℃烘干10-14小时至恒重，再置于马弗炉中380-420℃焙烧3-5小时，冷却、干燥，制得活性炭负载硅纳米线；
（4）纺丝溶液的配制：
①、将步骤（1）得到载银纳米二氧化钛、步骤（3）制得活性炭负载硅纳米线加入N-甲基吡咯烷酮中，放在超声波清洗器中超声1-3小时，设为溶液A；
②、在室温条件下，将聚醚酰亚胺与N-甲基吡咯烷酮以1:3-4的比例混合，用封口膜封住瓶口，放在油浴中55-65℃加热18-22小时，设为溶液B，置于磁力搅拌器上搅拌，缓慢加入上述溶液A，继续搅拌7-9小时，配置成流动性良好的纺丝液；
（5）羧甲基化改性纳米纤维素晶体悬浮液的制备：
将纳米纤维素晶体分散于去离子水中，加入氢氧化钠搅拌至其完全溶解，再加入氯乙酸不断搅拌，在40-50℃下超声震荡处理10-13小时，洗涤干燥，得到羧甲基化改性纳米纤维素晶体，加入去离子水于10-20℃水浴中，经过机械处理配制成浓度为0.5-1%的纳米纤维素晶体悬浮液；
（6）将上述纺丝溶液进行静电纺丝，在制备的纳米纤维膜外部均匀涂布步骤（5）得到的羧甲基化改性纳米纤维素晶体悬浮液，放入真空烘箱中进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥时间为8-12小时，得到纳米纤维素晶体/静电纺复合纳米纤维膜过滤材料。
3.根据权利要求2所述的一种高耐磨的静电纺/驻极体复合纤维膜过滤材料的制备方法，其特征在于，所述的静电纺丝工艺参数为：电压为1-50KV，针头到接收模板距离为0.1-2m，喷丝头直径为1μm-2mm，纺丝速度为0.1-20mL/h，纺丝时间为8-10小时，环境温度为20-60℃，环境相对湿度为20-80%。
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