CN106835325A - 一种电磁一体化纳米纤维滤材及其制备与活化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空气净化材料技术领域，公开了一种电磁一体化纳米纤维滤材及其制备与活化方法。所述制备及活化方法为：将磁性氧化物纳米颗粒加入到溶剂当中，超声震荡分散均匀，再加入强极性聚合物溶解均匀，得到含磁性氧化物纳米颗粒的聚合物纺丝液，将所得聚合物纺丝液通过静电纺丝技术制备于基底上，得到所述电磁一体化纳米纤维滤材；待纳米纤维滤材表面电势衰减到0～0.1KV时，将滤材作为阻挡介质放入高压电场中，通入5～35KV高压处理5～300s，得到活化后的纳米纤维滤材。本发明所得电磁一体化纳米纤维滤材具有表面电场和磁场，在用作空气过滤材料时能很好的达到高效低阻的效果。

Description

一种电磁一体化纳米纤维滤材及其制备与活化方法
技术领域
本发明属于空气净化材料技术领域，具体涉及一种电磁一体化纳米纤维滤材及其制备与活化方法。
背景技术
高性能过滤材料必须具有高效低阻的特点，但常规的过滤材料单纯依靠机械捕获机制实现对颗粒的过滤，通常在具有高效率的同时也具有较高的压阻。驻极体纤维滤料在原有机械过滤的基础上引入静电吸附作用，可以在相同压阻下大大提高颗粒的捕获效率。
传统的驻极体纤维滤料在实用化过程中存在电荷储存稳定性差，表面电荷衰减过快，长期使用过滤性能急剧下降，驻极工艺复杂等问题，大大影响了该种滤料的推广使用。
目前，对于如何增强驻极体滤料表面电势稳定性的研究已经较为广泛。国内2015年1月21日公开的CN104289042A发明型专利介绍了一种静电纺纳米纤维驻极过滤材料及其制备方法，该发明在聚合物纺丝液中加入一种或几种无机驻极体，并在静电纺丝过程中通过控制聚合物溶液组分与温度、纳米纤维成型“快速冷却”过程，一步成型制备纤维间无粘连、蓬松的三维网状互通结构的高效、低阻纳米纤维驻极过滤材料。该方法虽然可以增强驻极体表面电势，但是增强效果不明显，且不易活化，滤材使用寿命短。
国内2016年3月16日公开的CN105407998A发明型专利介绍了一种包含电荷加强添加剂的驻极体料片，它通过在热塑性树脂中添加电荷加强添加剂来增强驻极体的表面电势，电荷加强添加剂为含二价金属的取代琉基苯并咪唑盐。该技术的不足之处在于：这种电荷加强添加剂的合成工艺尚不成熟，且它采用电晕驻极的方法对滤料进行驻极，装置比较复杂，成本偏高。
国内2015年7月8日公开的CN104759162A发明型专利介绍了一种电介质过滤材料的荷电再生的装置及方法，它将驻极体或其他电介质滤材成品作为阻挡介质放入交变高压电场中，形成介质阻挡放电或放入直流高压下的电晕场中形成电晕介质阻挡放电，通过放电过程，实现静电驻极。这种方法虽然可以使纳米纤维膜重新带上电荷，但并没有说明这种方法适用于哪类驻极体，且没有提及对驻极体的活化时间和活化率。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种电磁一体化纳米纤维滤材。
本发明的另一目的在于提供上述电磁一体化纳米纤维滤材的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述电磁一体化纳米纤维滤材的活化方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种电磁一体化纳米纤维滤材，由强极性聚合物纳米纤维与分散在纳米纤维中的磁性氧化物纳米颗粒组成的纳米纤维膜和基底组成。
所述的强极性聚合物包括聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、氯化聚氯乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚芳砜、聚醚砜、均苯聚酰亚胺、聚偏氟乙烯和聚醚酮中的至少一种；所述磁性氧化物纳米颗粒包括纳米氧化铁颗粒、纳米氧化钴颗粒、纳米氧化镍颗粒和纳米氧化锌颗粒中的至少一种。
优选地，所述纳米纤维膜的纤维直径在100～900nm之间，纳米纤维膜的克重为0.01～5g/m2，孔隙率≥80％。
上述电磁一体化纳米纤维滤材的制备方法，包括如下制备步骤：
(1)配制纺丝液：将磁性氧化物纳米颗粒加入到溶剂当中，超声震荡分散均匀，再加入强极性聚合物溶解均匀，得到含磁性氧化物纳米颗粒的聚合物纺丝液；
(2)静电纺丝：将步骤(1)所得聚合物纺丝液通过静电纺丝技术制备于基底上，得到所述电磁一体化纳米纤维滤材。
优选地，步骤(1)中所述的溶剂包括N-N二甲基甲酰胺、丁酮、四氢呋喃、异丙醇、水、甲酸、三氟乙酸、二氯甲烷、二甲基乙酰胺、丙酮、浓硫酸中的一种或两种以上的混合。
更优选地，所述强极性聚合物和溶剂分别对应如下：
聚氯乙烯：N-N二甲基甲酰胺和四氢呋喃质量比为1:1的混合溶剂；
乙烯-醋酸乙烯共聚物：异丙醇和水体积比为7:3的混合溶剂；
氯化聚氯乙烯：N-N二甲基甲酰胺和四氢呋喃质量比为1:1的混合溶剂；
聚酰胺：甲酸溶剂；
聚对苯二甲酸丁二醇酯：三氟乙酸和二氯甲烷体积比为3:2的混合溶剂；
聚对苯二甲酸乙二醇酯：三氟乙酸和二氯甲烷体积比为4:1的混合溶剂；
聚砜：二甲基乙酰胺溶剂；
聚芳砜：二甲基乙酰胺溶剂；
聚醚砜：二甲基甲酰胺和丙酮质量比为8.5:1.5的混合溶剂；
均苯聚酰亚胺：利用均苯四甲酸二酐和4，4'-二胺基二苯醚合成聚酰亚胺酸溶剂；
聚偏氟乙烯：N-N二甲基甲酰胺溶剂；
聚醚酮：浓硫酸溶剂。
优选地，步骤(1)中所述聚合物纺丝液中磁性氧化物纳米颗粒的含量为0.001～5wt.％，所述强极性聚合物的含量为5～25wt.％。
优选地，步骤(2)中所述静电纺丝的工艺条件为：电压10～30KV，接收距离5～25cm，注射速度1～5mL/h，温度0～35℃，相对湿度0～70％。
优选地，步骤(2)中所述基底为常规微米纤维滤材。
上述电磁一体化纳米纤维滤材的活化方法，包括如下步骤：
待电磁一体化纳米纤维滤材表面电势衰减到0～0.1KV时，将滤材作为阻挡介质放入高压电场中，通入5～35KV高压，处理5～300s，即可以使滤材重新带上电荷，得到活化后的电磁一体化纳米纤维滤材。
优选地，所述高压电场的电极类型为板状，面积与滤材的面积相当，正负电极之间的间距为10～50mm。
本发明创新性的在驻极体纳米纤维表面引入磁性氧化物纳米颗粒，这种磁性颗粒有利于增强纤维表面的界面极化效应，使纤维膜的初始电势有所提高。同时有助于延长电荷在纤维中的运动路径，减少了电荷径直流失的可能，而且这种磁性颗粒在电场的作用下产生磁场，在纤维内部形成了一个个微型电磁场，因此减缓了表面电势的衰减，增强了滤材长期储存电荷的能力。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明首次在驻极体过滤材料中引入磁场，得到了电磁一体化纳米纤维滤材；
(2)本发明的制作方法简单，不需要特殊装置和设备，可适用于一系列广泛的驻极体纳米纤维膜过滤材料的制备；
(3)本发明所得电磁一体化纳米纤维滤材在用作空气过滤材料时能很好的达到高效低阻的效果，其具有的表面电场和表面磁场，增强了滤材对颗粒，尤其是带电颗粒和磁性颗粒的捕获能力，而且磁场的存在还能使纳米纤维膜在潮湿空气中长久保持表面电势，且磁场衰减极慢；
(4)本发明还涉及了电磁一体化纳米纤维滤材的活化方法，提高了纳米纤维滤材的使用寿命，大大降低了运行成本。
附图说明
图1是本发明所使用的静电纺丝设备结构示意图；图中编号说明如下：1-平板接收器，2-静电纺丝装置的推注系统，3-静电高压提供系统。
图2是本发明所使用的活化装置结构示意图；图中编号说明如下：4-静电高压提供系统，5-负电极板，6-纤维膜滤材，7-正电极板。
图3是本发明所得电磁一体化纳米纤维滤材的结构及功能示意图；图中编号说明如下：8-基底层，9-电磁一体化纳米纤维层，10-纳米纤维，11-空间电荷，12-偶极矩，13-微型磁场。
图4是本发明实施例1所得电磁一体化PVC纳米纤维膜的表面电势衰减趋势图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种电磁一体化纳米纤维滤材的制备和快速活化方法，具体步骤为：
(1)将聚氯乙烯(PVC)粉末置于60℃的真空烘箱中干燥2h。用电子天平准确称取10.9875g N-N二甲基甲酰胺和10.9875g四氢呋喃置于50mL烧杯中，然后称取0.0250g纳米磁性氧化铁(纯度99.5％，平均粒径15nm)置于上述混合溶剂中，用超声震荡仪震荡1.5h，取出烧杯，用电子天平准确称取3g干燥好的聚氯乙烯粉末置于烧杯中，烧杯放在水浴恒温震荡器中震荡4h，恒温40℃，配制成均匀并且稳定的含磁性氧化铁纳米颗粒的聚氯乙烯纺丝液。
(2)使用图1所示的静电纺丝设备进行静电纺丝，将剪裁好的基底，黏在平板接收器上，调节静电纺丝参数，推注系统的平移速度为80mm/min，接收距离为15cm，静电高压为10KV，推注速度为lmL/h。得到电磁一体化纳米纤维滤材。
(3)将所得纤维滤材用作空气过滤材料，待电磁一体化纳米纤维膜表面电势衰减为0～0.10KV时，使用图2所示的活化装置，将滤材再次作为阻挡介质放入高压电场中，所述高压电场的电极类型为板状，面积与滤材的面积相当，通入高压电势15KV，处理2min，纳米纤维膜即重新带上电荷。
本实施例所得电磁一体化纳米纤维膜的结构及功能示意图如图3所示；步骤(2)所得电磁一体化纳米纤维膜(纺丝后-电磁一体化PVC膜)、步骤(3)所得活化后的电磁一体化纳米纤维膜(活化后-电磁一体化PVC膜)及未加入磁性氧化物纳米颗粒的普通驻极纳米纤维膜(纺丝后-普通驻极PVC膜)和活化后的普通驻极纳米纤维膜(活化后-普通驻极PVC膜)的表面电势衰减趋势图如图4所示。本实施例所得电磁一体化纳米纤维膜初始表面电势为1.55KV，表面具有微型磁场，在磁场的作用下，纳米纤维膜的表面电势衰减变缓慢，十天后纳米纤维膜的表面电势仍为0.30KV。经活化后，纳米纤维膜的表面电势为1.60KV，活化率为103.23％，表面电势衰减趋势大致不变。
实施例2
本实施例的一种电磁一体化纳米纤维滤材的制备和快速活化方法，具体步骤为：
(1)将氯化聚氯乙烯粉末置于60℃的真空烘箱中干燥2h。用电子天平准确称取10.9875g N-N二甲基甲酰胺和10.9875g四氢呋喃置于50mL烧杯中，然后称取0.025g纳米磁性氧化钴(纯度99％，平均粒径20nm)置于上述混合溶剂中，用超声震荡仪震荡2h，取出烧杯，用电子天平准确称取3g干燥好的氯化聚氯乙烯粉末置于烧杯中，烧杯放在水浴恒温震荡器中震荡6h，恒温40℃配制成均匀并且稳定的含磁性氧化钴纳米颗粒的氯化聚氯乙烯纺丝液。
(2)使用图1所示的静电纺丝设备进行静电纺丝，将剪裁好的基底，黏在平板接收器上，调节静电纺丝参数，推注系统的平移速度为80mm/min，接收距离为15cm，静电高压为12KV，推注速度为lmL/h。得到电磁一体化纳米纤维滤材。
(3)将所得滤材用作空气过滤材料，待电磁一体化纳米纤维膜表面电势衰减为0～0.10KV时，使用图2所示的活化装置，将滤材再次作为阻挡介质放入高压电场中，所述高压电场的电极类型为板状，面积与滤材的面积相当，通入高压电势15KV，处理2min，纳米纤维膜即重新带上电荷。
本实施例所得电磁一体化纳米纤维滤材的结构及功能示意图如图3所示，其初始表面电势为1.48KV，表面具有微型磁场，在磁场的作用下，纳米纤维膜的表面电势衰减变缓慢，十天后纳米纤维膜的表面电势仍为0.23KV。经活化后，纳米纤维膜的表面电势为1.45KV，活化率为97.97％，表面电势衰减趋势大致不变。
实施例3
本实施例的一种电磁一体化纳米纤维滤材的制备和快速活化方法，具体步骤为：
(1)将聚偏氟乙烯粉末置于60℃的真空烘箱中干燥2h。用电子天平准确称取21.975g N-N二甲基甲酰胺置于50mL烧杯中，然后称取0.025g纳米磁性氧化铁(纯度99.5％，平均粒径15nm)置于上述溶剂中，用超声震荡仪震荡1.5h，取出烧杯，用电子天平准确称取3g干燥好的聚偏氟乙烯粉末置于烧杯中，烧杯放在水浴恒温震荡器中震荡6h，恒温40℃配制成均匀并且稳定的含磁性氧化铁纳米颗粒的聚偏氟乙烯纺丝液。
(2)使用图1所示的静电纺丝设备进行静电纺丝，将剪裁好的基底，黏在平板接收器上，调节静电纺丝参数，推注系统的平移速度为80mm/min，接收距离为10cm，静电高压为10KV，推注速度为lmL/h。得到电磁一体化纳米纤维滤材。
(3)将所得滤材用作空气过滤材料，待电磁一体化纳米纤维膜表面电势衰减为0～0.10KV时，使用图2所示的活化装置，将滤材再次作为阻挡介质放入高压电场中，所述高压电场的电极类型为板状，面积与滤材的面积相当，通入高压电势15KV，处理2min，纳米纤维膜即重新带上电荷。
本实施例所得电磁一体化纳米纤维滤材的结构及功能示意图如图3所示，其初始表面电势为1.75KV，表面具有微型磁场，在磁场的作用下，纳米纤维膜的表面电势衰减变缓慢，十天后纳米纤维膜的表面电势仍为0.43KV。经活化后，纳米纤维膜的表面电势为1.83KV，活化率为104.57％，表面电势衰减趋势大致不变。
本发明所得电磁一体化纳米纤维滤材用作空气过滤材料的应用效果测试：将所制得的电磁一体化纳米纤维滤材从静电纺丝机的接收装置上取下来，将滤材放置在TSI 8130自动滤料测试仪夹具的下部，通过同时按下2个闭合按钮来关闭夹具。气压缸迅速将夹具上部压下密封滤料，并开始检测。测试时间为30s，并记录数据。测试结果显示，在风量为32L/min时，所得纳米纤维滤材对0.3μm颗粒的过滤效率达99.9％以上，过滤压降在10～50Pa之间。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁一体化纳米纤维滤材，其特征在于：所述纳米纤维滤材由强极性聚合物纳米纤维与分散在纳米纤维中的磁性氧化物纳米颗粒组成的纳米纤维膜和基底组成。
2.根据权利要求1所述的一种电磁一体化纳米纤维滤材，其特征在于：所述的强极性聚合物包括聚氯乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、氯化聚氯乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚芳砜、聚醚砜、均苯聚酰亚胺、聚偏氟乙烯和聚醚酮中的至少一种；所述磁性氧化物纳米颗粒包括纳米氧化铁颗粒、纳米氧化钴颗粒、纳米氧化镍颗粒和纳米氧化锌颗粒中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种电磁一体化纳米纤维滤材，其特征在于：所述纳米纤维膜的纤维直径在100～900nm之间，纳米纤维膜的克重为0.01～5g/m2，孔隙率≥80％。
4.权利要求1～3任一项所述的一种电磁一体化纳米纤维滤材的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：
(1)配制纺丝液：将磁性氧化物纳米颗粒加入到溶剂当中，超声震荡分散均匀，再加入强极性聚合物溶解均匀，得到含磁性氧化物纳米颗粒的聚合物纺丝液；
(2)静电纺丝：将步骤(1)所得聚合物纺丝液通过静电纺丝技术制备于基底上，得到所述电磁一体化纳米纤维滤材。
5.根据权利要求4所述的一种电磁一体化纳米纤维滤材的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的溶剂包括N-N二甲基甲酰胺、丁酮、四氢呋喃、异丙醇、水、甲酸、三氟乙酸、二氯甲烷、二甲基乙酰胺、丙酮、浓硫酸中的一种或两种以上的混合。
6.根据权利要求4所述的一种电磁一体化纳米纤维滤材的制备方法，其特征在于：所述强极性聚合物和溶剂分别对应如下：
聚氯乙烯：N-N二甲基甲酰胺和四氢呋喃质量比为1:1的混合溶剂；
乙烯-醋酸乙烯共聚物：异丙醇和水体积比为7:3的混合溶剂；
氯化聚氯乙烯：N-N二甲基甲酰胺和四氢呋喃质量比为1:1的混合溶剂；
聚酰胺：甲酸溶剂；
聚对苯二甲酸丁二醇酯：三氟乙酸和二氯甲烷体积比为3:2的混合溶剂；
聚对苯二甲酸乙二醇酯：三氟乙酸和二氯甲烷体积比为4:1的混合溶剂；
聚砜：二甲基乙酰胺溶剂；
聚芳砜：二甲基乙酰胺溶剂；
聚醚砜：二甲基甲酰胺和丙酮质量比为8.5:1.5的混合溶剂；
均苯聚酰亚胺：利用均苯四甲酸二酐和4，4'-二胺基二苯醚合成聚酰亚胺酸溶剂；
聚偏氟乙烯：N-N二甲基甲酰胺溶剂；
聚醚酮：浓硫酸溶剂。
7.根据权利要求4所述的一种电磁一体化纳米纤维滤材的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述聚合物纺丝液中磁性氧化物纳米颗粒的含量为0.001～5wt.％，所述强极性聚合物的含量为5～25wt.％。
8.根据权利要求4所述的一种电磁一体化纳米纤维滤材的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述静电纺丝的工艺条件为：电压10～30KV，接收距离5～25cm，注射速度1～5mL/h，温度0～35℃，相对湿度0～70％。
9.权利要求1～3任一项所述的一种电磁一体化纳米纤维滤材的活化方法，其特征在于包括如下步骤：待电磁一体化纳米纤维滤材表面电势衰减到0～0.1KV时，将滤材作为阻挡介质放入高压电场中，通入5～35KV高压处理5～300s，得到活化后的电磁一体化纳米纤维滤材。
10.根据权利要求9所述的一种电磁一体化纳米纤维滤材的活化方法，其特征在于：所述高压电场的电极类型为板状，面积与滤材的面积相当，正负电极之间的间距为10～50mm。
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