CN107583377A - 一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜及其制备方法，及高效低阻的纳米纤维复合滤膜，该复合滤膜包括：无纺布基底支撑层、静电纺丝复合纤维致密层两部分，功能化石墨烯调整了致密分离层的结构，纤维和串珠结构产生分子滑移效应，从而显著降低了滤膜空气阻力。此外，功能化石墨烯的高表面积和丰富的表面官能团提高了滤膜的空气过滤效率。其制备方法如下：配置不同浓度的功能化石墨烯和高分子混合溶液，以无纺布作为接收基底，采用静电纺丝法制备纳米纤维复合滤膜，该滤膜可高效低阻地过滤空气中的烟雾、花粉、PM_2.5等细小颗粒物，实现空气净化，也可以用于个人防护装置(如口罩)，有益于人体健康。

Description

一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种改性的低阻力空气过滤纳米纤维复合膜，属于空气过滤及膜材料制备技术领域。

背景技术

近年来，受人类的生产、生活等影响，全球性空气污染越来越严重，空气质量已备受关注。我国多地多次出现严重污染的雾霾天气，其中PM_2.5细颗粒物是导致雾霾的重要因素，雾霾吸入人体会导致心脑血管疾病的发病率大大提升，死亡率增高。因而开发一种低阻高效过滤空气中PM_2.5及各种污染物的复合滤膜，并将其应用于生产生活中至关重要。

市场上现有的制作口罩的滤膜主要为单纯的无纺布制备而成，功能较单一，不能同时满足人们对口罩低空气阻力又能高效防霾的需求。近年来开发的防雾霾口罩多以细密的高分子过滤膜为核心材料，该过滤膜在使用过程中空气压降高，佩戴起来有憋闷感不舒适。

发明内容

本发明的目的是对常用高分子过滤膜的一种改性，使该膜具有更高的过滤效率，并解决目前过滤膜压降较大的性能问题。

本发明的技术如下：

一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜，其特征在于：该空气过滤膜含有无纺布基底和致密纳米纤维层，该纳米纤维复合膜覆盖于基底的表面，并与之完全贴合；所述的致密纳米纤维层为功能化石墨烯修饰的高分子纳米纤维复合膜，该纳米纤维复合膜呈串珠结构。

进一步地，所述的致密纳米纤维层是经静电纺丝将其覆盖于无纺布基底的表面。

本发明所述的功能化石墨烯为氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、羟基化石墨烯和羧基化石墨烯中的一种或几种；所述的高分子为聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯醇、聚胺酯、聚乙烯比咯烷酮、双酚A型聚砜、聚苯乙烯和尼龙中的一种或几种；所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲苯、乙二醇和二甲亚砜中的一种或几种。

本发明提供的一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将功能化石墨烯和高分子材料加入到可挥发的有机溶剂中，均匀混合，配制成功能化石墨烯和高分子材料共混的前驱液，其中功能化石墨烯的质量体积浓度为0.25-5mg/10mL；高分子材料的质量体积浓度为0.5-2g/10mL。

2)采用静电纺丝设备，并设置工艺参数，将前驱液电纺于无纺布基底(1)表面，形成致密的高分子纳米纤维过滤复膜；所述工艺参数为：喷头尖端距离接收器距离18-20.5cm，电压8-15kV，推进速度0.6-1.0mm/min。

本发明具有以下优点及突出性技术效果：在本发明中，由于功能化石墨烯的加入，很好地调整了高分子材料致密层原有的结构，使复合膜对于空气中的烟雾、花粉、PM_2.5等细小颗粒物的过滤效率有很大的提高，并且该复合结构，从宏观和微观两方面进行了降低压降的处理，首先，利用无纺布起到支撑层作用，且克服了纯膜压降大的问题，其次，采用静电纺丝制备的纤维尺寸，很好地利用了空气滑移效率，进一步降低了空气阻力。

附图说明

图1为是本发明提供的一种低阻高效的空气过滤复合膜的结构示意图。

图2为本发明的空气过滤复合膜的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

本发明提供的一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜,其含有无纺布基底1和致密纳米纤维层2，该致密纳米纤维层2覆盖于无纺布基底1的表面，并与之完全贴合；所述的致密纳米纤维层2为功能化石墨烯修饰的高分子纳米纤维复合膜,该纳米纤维复合膜呈串珠结构(参见图1和图2)。纳米纤维复合膜是通过静电纺丝的方法将其覆盖于无纺布基底的表面，其尺寸控制在500nm以下。

所述的功能化石墨烯为氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、羟基化石墨烯和羧基化石墨烯中的一种或几种，优选为氧化石墨烯、还原氧化石墨烯或羟基化石墨烯。所述的高分子为聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯醇、聚胺酯、聚乙烯比咯烷酮、双酚A型聚砜、聚苯乙烯和尼龙中的一种或几种，优选为聚丙烯腈、双酚A型聚砜或聚乙烯醇。所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲苯、乙二醇和二甲亚砜中的一种或几种，优选为N,N-二甲基甲酰胺、二甲苯或乙二醇。

在本发明中，低阻高效纳米纤维复合薄膜制备过程中，首先以无纺布基底1作为支撑层，无纺布本身的大孔结构起到一定降低压降的作用，此外将功能化石墨烯加入高分子前驱液中，通过静电纺丝的方法将致密纳米纤维层2的纤维尺寸控制在500nm以下，利用分子滑移效应进一步降低压降。在降低压降的同时，功能化石墨烯对致密纳米纤维层的结构能够很好的调控，其表面丰富的官能团大大提升了PM_2.5细颗粒物的过滤性能。因此，既获得了高效的过滤性能，同时也降低了空气阻力；其具体指标方法如下：

1)将功能化石墨烯和高分子材料加入到可挥发的有机溶剂中，均匀混合，配制成功能化石墨烯和高分子材料共混的前驱液，其中功能化石墨烯的质量体积浓度为0.25-5mg/10mL；高分子材料的质量体积浓度为0.5-2g/10mL。

2)采用静电纺丝设备，并设置工艺参数，将前驱液电纺于无纺布基底(1)表面，形成致密纳米纤维层；所述工艺参数为：喷头尖端距离接收器距离为18-20.5cm，电压8-15kV，推进速度0.6-1.0mm/min。

实施例1：

步骤A、采用改进的Hummer法制备氧化石墨烯，离心清洗烘干。

步骤B、制备0.5mg氧化石墨烯/聚丙烯腈N,N-二甲基甲酰胺分散液，称量1g聚丙烯腈，再称量0.5mg氧化石墨烯，加入10mLN,N-二甲基甲酰胺中，搅拌超声，使前驱液分散均匀。

步骤C、将铝箔置于静电纺丝接收器上，将无纺布基底置于其上。

步骤D、将配置好的前驱液，用注射器将共混前驱溶液置于静电纺丝设备上，针头尖端距离接收器20.5cm，电压12.5kV，推进速度0.8mm/min，将0.5mg氧化石墨烯修饰的聚丙烯腈复合高分子膜纺丝在无纺布上，形成一层致密的纳米纤维复合膜。

实施例2：

步骤A、制备还原氧化石墨烯，离心清洗冷冻干燥。

步骤B、制备0.25mg还原氧化石墨烯/双酚A型聚砜二甲苯分散液，称量1.5g双酚A型聚砜，再称量0.25mg还原氧化石墨烯，加入10mL二甲苯中，搅拌超声，使前驱液分散均匀。

步骤C、将铝箔置于静电纺丝接收基底上，将无纺布置于其上。

步骤D、将配置好的前驱液，用注射器将共混前驱溶液置于静电纺丝设备上，针头尖端距离接收器18cm，电压15kV，推进速度1mm/min，将0.25mg还原氧化石墨烯修饰的双酚A型聚砜复合高分子膜纺丝在无纺布上，形成一层致密的纳米纤维复合膜。

实施例3：

步骤A、制备羟基化石墨烯，离心清洗烘干。

步骤B、制备5mg羟基化石墨烯/聚乙烯醇乙二醇分散液，称量2g聚乙烯醇，再称量5mg羟基化石墨烯，加入10mL乙二醇中，搅拌超声，使前驱液分散均匀。

步骤C、将铝箔置于静电纺丝接收基底上，将无纺布置于其上。

步骤D、将配置好的前驱液，用注射器将共混前驱溶液置于静电纺丝设备上，针头尖端距离接收器20cm，电压8kV，推进速度0.6mm/min，将5mg羟基化石墨烯修饰的聚乙烯醇复合高分子膜纺丝在无纺布上，形成一层致密的纳米纤维复合膜。

Claims (6)

1.一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜，其特征在于：该空气过滤膜含有无纺布基底(1)和致密纳米纤维层(2)，该致密纳米纤维层(2)覆盖于基底的表面，并与之完全贴合；所述的致密纳米纤维层(2)为功能化石墨烯修饰的高分子纳米纤维复合膜,该纳米纤维复合膜呈串珠结构。

2.根据权利要求1所述的一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜，其特征在于：所述的致密纳米纤维层是经静电纺丝将其覆盖于无纺布基底的表面。

3.如权利要求1或2所述的一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜，其特征在于：所述的功能化石墨烯为氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、羟基化石墨烯和羧基化石墨烯中的一种或几种。

4.如权利要求1或2所述的一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜，其特征在于：所述的高分子为聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯醇、聚胺酯、聚乙烯比咯烷酮、双酚A型聚砜、聚苯乙烯和尼龙中的一种或几种。

5.如权利要求1或2所述的一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜，其特征在于：所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲苯、乙二醇和二甲亚砜中的一种或几种。

6.如权利要求1所述的一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)将功能化石墨烯和高分子材料加入到可挥发的有机溶剂中，均匀混合，配制成功能化石墨烯和高分子材料共混的前驱液，其中功能化石墨烯的质量体积浓度为0.25-5mg/10mL；高分子材料的质量体积浓度为0.5-2g/10mL。

2)采用静电纺丝设备，并设置工艺参数，将前驱液电纺于无纺布基底(1)表面，形成致密纳米纤维层；所述工艺参数为：喷头尖端距离接收器距离为18-20.5cm，电压8-15kV，推进速度0.6-1.0mm/min。