CN108796818A - 一种用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜及制备方法。所述复合纤维膜是由包括以下组分的原料制备而得：高分子材料100重量份；高介电纳米粒子2～60重量份；高分子材料为聚酰胺、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸乙酯、乙烯‑醋酸酯共聚物、聚氨基甲酸酯、聚丙烯腈、二氟乙烯‑三氟乙烯共聚物中的一种；高介电纳米填料为纳米二氧化钛、纳米钛酸钡、银纳米粒子、镍纳米粒子、Fe3O4、多壁碳纳米管中的一种或组合。本发明的复合纤维膜具有高透气性、透光性，并且具有静电吸附作用，能够吸附空气中的PM2.5，同时，纤维之间的静电场能够杀死细菌、病毒。

Description

一种用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜及 制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物介电材料领域，进一步地说，是涉及一种用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜及制备方法。
背景技术
背景技术随着现代城市化经济的快速发展，人们对环境造成的污染也日益严重。近年来越来越多的城市出现大面积持续性的雾霾天气，对人们的日常生活和身体健康造成了严重的危害。雾霾天气是一种大气污染状态的统称，其中空气动力学直径小于或等于2.5微米的悬浮物颗粒(PM2.5)是造成雾霾天气的重要原因，而又由于其非常小的直径，难以防范。相较于室外的防护，室内防护也非常重要。但对于居住在雾霾污染城市的居民来说，开窗通风有益身体健康及室内换气，但同时也会将空气中的微小颗粒带入室内，对室内空气造成污染。随着人们生活水平的提高和健康理念的增强，对室内空气的净化也越来越重要。针对室内空气的净化，现在普遍采用的方法是空气净化设备，但这类设备成本较高，同时占用室内空间并消耗电力等能源，不符合绿色低碳的环保理念，同时这也是一种被动防雾霾方式，即它是一种对已经有雾霾污染的室内环境进行净化，不能从根本上主动地防护室内空气的洁净。因此，需要提供一种在雾霾天气下能防止雾霾进入室内的窗纱，这样既能使室内空气与室外流通，又能从根源上防止雾霾中的小颗粒进入室内。
发明内容
为解决现有技术中过滤膜不能从根本上主动地防护室内空气的洁净的问题，本发明提供了一种用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜及制备方法。本发明的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜通过静电纺丝法制备而成，同时在制备过程中加入高介电纳米粒子，具有高透气性、透光性，并且具有静电吸附作用，能够吸附空气中的PM2.5，同时，纤维之间的静电场能够杀死细菌、病毒。
本发明的目的之一是提供一种用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜。
所述复合纤维膜是由包括以下组分的原料制备而得：
各组分按重量份数计，
高分子材料100重量份；
高介电纳米粒子2～60重量份；优选5～50重量份；
所述高分子材料为聚酰胺、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸乙酯、乙烯-醋酸酯共聚物、聚氨基甲酸酯、聚丙烯腈、二氟乙烯-三氟乙烯共聚物中的一种；
所述高介电纳米填料为纳米二氧化钛、纳米钛酸钡、银纳米粒子、镍纳米粒子、Fe3O4、多壁碳纳米管中的一种或组合。所述高介电纳米填料的粒径范围优选为1-100nm。
所述含高介电纳米粒子的过滤纳米纤维膜的纤维直径为100-1000nm，膜的厚度为10um-100um，纤维膜孔隙率为70～95％，孔径为100-5000nm。
介电材料应用在空气PM2.5过滤材料中，利用的是静电效应。普通的空气过滤材料一般都仅仅依赖于机械阻挡作用，即通过惯性沉积、重力沉积、扩散效应等机理，对气体中流动粉尘进行拦截作用，以达到过滤目的。而空气中的大多数粉尘是亚微米级粒子，如香烟中的尼古丁、工业粉尘中的石英和玻璃纤维、石棉及各类压电陶瓷粉尘等。传统的过滤器要滤除这些粉尘粒子，需采用处于夯实状态的纤维，这样将极大地增加流阻，增加能耗；另一方面，普通的空气过滤器都不具备灭菌功能，而需采用其他辅助手段来消灭病菌。驻极体空气过滤材料中存在有高达几百至上千伏的静电场，过滤材料的孔隙就像无数个无源集尘电极。当气流中的带电微粒尤其是亚微米级粒子(往往是带电的)通过材料的空隙时，就在电场力的作用下被捕获。气流中的中性微粒因感应或极化而成为偶极子，从而也可有效地被捕获。由于电场力是长程力，在同样的过滤效率时，滤材空隙的几何尺寸可以比普通纤维或多孔材料的几何尺寸大，使过滤器的压差比传统的过滤器降低20-40倍，明显地减少了流阻，可大大地节约能源；另外细菌和病毒具有天然的驻极态，通常依附于粉尘上，当它们通过驻极体滤材孔隙时，由驻极体产生的强静电场和微电流会刺激细菌使蛋白质变异，损伤细菌的细胞质及细胞膜，破坏细菌的表面结构，导致细菌死亡。正是由于驻极体过滤器所具有的低流阻、高效率、除尘灭菌多功能及对具有致癌作用的亚微米级粒子突出的捕获能力，使其在医疗设施洁净、制药工业和生物制品洁净、高新科技产业洁净及旅馆酒店、家庭和公共场所洁净等方面的应用上，显示出独特的优势，而成为新一代环境净化的主导产品。
本发明的目的之二是提供一种用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜的制备方法。
包括：
(1)将所述高分子溶于溶剂中得到质量浓度为0.04-0.2g/mL的溶液C；
(2)向溶液C中加入所述用量的高介电纳米粒子，超声分散均匀，得到溶液D；
(3)用溶液D进行静电纺丝，制得所述高介电的过滤膜；
(4)采用一次电晕极化对纳米纤维膜进行驻极，或采用持续性/间歇性电源进行多次极化。
其中，优选：
步骤(3)中，滚筒转动速率为100-600rpm，纺丝液流动速率为0.5-10mL/h，电压7-20kV，接收距离8-30cm，纺丝时间2～30min。
介电高分子具有良好的介电能力，高介电材料主要用作电容器，用于电子电力行业中，用作电路板和电子器件，要求材料具有很高的电导率和介电强度，同时，由于材料内部存在空气空隙的话，会导致击穿电压降低，降低材料的介电性能。因此，现有技术通过静电纺丝制备聚合物介电材料时，静电纺丝虽然能使纳米粒子取向，但是要通过模压工艺，使纳米纤维熔融再成型，将纳米纤维之间孔隙排除，排出材料内部的空气，最终制备出符合要求的介电高分子材料，因此材料内部无孔隙，无法用于空气过滤。而现有技术中常规的没有添加导电粒子的静电纺丝纳米纤维膜，不存在静电场，无法通过静电吸附PM2.5，只能靠纳米纤维之间的微孔实现物理阻隔PM2.5。要想阻隔粒径较小的粒子，需要降低纳米纤维之间的孔径，必须增大纤维膜的厚度，但是会导致纳米纤维膜的透气性变差。
本发明与传统介电材料和传统的静电纺丝薄膜不同，本发明通过静电纺丝制备聚合物介电纳米纤维膜，通过电晕极化处理后，纳米纤维会带电荷，并且电晕作用消失后，电荷仍能保持一段时间，因而具有静电吸附作用。同时，纳米纤维膜的多孔结构不会被破会，从而具有高效透气性，又能静电吸附空气中的PM2.5。因而可用于雾霾过滤。由于静电场的存在，可以吸附空气中粒径比PM2.5更小的粒子和细菌病毒，同时还能保持纤维之间的较大的孔径，因此纳米纤维膜的厚度更薄，透气性更高。
本发明所述的高介电过滤膜可以用于防雾霾纱窗及空气过滤器滤芯。
本发明的优点：
1，本发明制得的高介电空气过滤膜对PM2.5、PM10的过滤效率可以达到98％以上。我们制备的纳米纤维膜是超薄的，具有极高的孔隙率，透气性优异，并且具有透光性，既能向室内输送新鲜干净的空气，还能满足室内的光亮度需求。而常规放丝工艺制备的静电纺丝膜非常厚，孔径极小，透气性差，无法实现室内空气交换，并且没有透光性，不能用于PM2.5过滤。
2，本发明采用高介电纳米粒子，通过电晕处理后，具有静电吸附作用，能够吸附空气中的PM2.5，从而实现空气净化，通过自然风实现新鲜空气交换，又不耗额外电能。同时，过滤膜上的电场，能够杀死空气中的细菌和病毒。
3，该高介电过滤膜可用于防雾霾纱窗，在雾霾天气实现室内通风换气，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，可进行规模化生产，并且得到的空气过滤膜净化效果好，吸附力强，能杀菌，具有良好的市场前景。
附图说明
图1实施例2制备的纳米纤维膜的微观结构；
图2市售谷奇防雾霾纱窗的微观结构图；
图3实施例2制备的纤维膜上吸附的雾霾颗粒；
图4实施例2制备的多壁碳纳米管在纤维中分布；
图5实施例2制备的纳米纤维膜的抑菌效果。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例中所用原料均为市售。
雾霾过滤效率和初始空气阻力测试参考GB 2626-2006。
实施例1
(1)将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺溶剂中，室温磁力搅拌12h，搅拌均匀，得到聚丙烯腈质量浓度为0.1g/mL的聚丙烯腈纺丝溶液C；
(2)将粒径100nm的二氧化钛粒子加入步骤(1)聚乳酸溶液中，二氧化钛粒子添加量为聚丙烯腈质量的60％，超声分散均匀得到溶液D；
(3)用溶液D进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为100rpm，纺丝液流动速率为0.5mL/h，电压7kV，接收距离30cm，纺丝5min，制备厚度10μm的电纺丝纤维膜；
(4)采用一次电晕极化对纳米纤维膜进行驻极。
(5)步骤(3)制备的聚乳酸纳米纤维膜的孔隙率为90％，纤维直径1000nm，纤维孔径2000nm，经过检测聚乳酸纳米纤维膜的PM2.5初始过滤效率为98％，初始空气阻力为20Pa。
实施例2
(1)将聚对苯二甲酸丁二醇酯溶于四氢呋喃溶剂中，室温磁力搅拌12h，搅拌均匀，得到聚对苯二甲酸丁二醇酯质量浓度为0.2g/mL的纺丝溶液C；
(2)将长度为100nm的多壁碳纳米管超声分散在四氢呋喃溶剂中，然后加入步骤(1)聚对苯二甲酸丁二醇酯溶液中，多壁碳纳米管的添加量为聚对苯二甲酸丁二醇酯质量的2％，超声分散均匀得到溶液D；
(3)用溶液D进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为600rpm，纺丝液流动速率为5mL/h，电压20kV，接收距离15cm，纺丝30min，制备厚度100μm的电纺丝纤维膜；
(4)采用一次电晕极化对纳米纤维膜进行驻极。
(5)步骤(3)制备的聚对苯二甲酸丁二醇酯纳米纤维膜的孔隙率为70％，纤维直径800nm，纤维孔径100nm，经过检测聚乳酸纳米纤维膜的PM2.5初始过滤效率为99％，初始空气阻力为30Pa。
实施例3
(1)将聚苯乙烯溶于去氯仿中，室温磁力搅拌8h，搅拌均匀，得到聚苯乙烯质量浓度为0.05g/mL的聚苯乙烯纺丝溶液C；
(2)将粒径50nm的纳米钛酸钡和粒径100nm的Fe3O4分别加入步骤(1)所得的聚苯乙烯溶液中，纳米钛酸钡的添加量为聚苯乙烯质量的25％，纳米Fe3O4的添加量为聚苯乙烯质量的15％，超声分散均匀得到溶液D；
(3)用溶液D进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为300rpm，纺丝液流动速率为2mL/h，电压16kV，接收距离10cm，纺丝15min，制备厚度50μm的电纺丝纤维膜；
(4)采用一次电晕极化对纳米纤维膜进行驻极。
(5)步骤(3)制备的聚乳酸纳米纤维膜的孔隙率为85％，纤维直径500nm，纤维孔径500nm，经过检测聚乙烯醇纳米纤维膜的PM2.5初始过滤效率为98.5％，初始空气阻力为25Pa。
实施例4
(1)将聚甲基丙烯酸乙酯溶于去离子水中，室温磁力搅拌8h，搅拌均匀，得到聚甲基丙烯酸乙酯质量浓度为0.15g/mL的聚乙烯醇纺丝溶液C；
(2)将粒径30nm的银纳米粒子加入步骤(1)所得的聚甲基丙烯酸乙酯溶液中，银纳米粒子的添加量为聚甲基丙烯酸乙酯质量的50％，超声分散均匀得到溶液D；
(3)用溶液D进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为600rpm，纺丝液流动速率为8mL/h，电压14kV，接收距离20cm，纺丝10min，制备厚度20μm的电纺丝纤维膜；
(4)采用间歇式电源对步骤(3)的纳米纤维膜进行多次极化。
(5)步骤(3)制备的聚甲基丙烯酸乙酯纳米纤维膜的孔隙率为90％，纤维直径100nm，纤维孔径800nm，经过检测聚甲基丙烯酸乙酯纳米纤维膜的PM2.5初始过滤效率为99％，初始空气阻力为24Pa。
实施例5
(1)将聚酰胺溶于甲酸中，室温下磁力搅拌6h，搅拌均匀，得到聚酰胺质量浓度为0.1g/mL的聚酰胺纺丝溶液C；
(2)将粒径100nm的镍纳米粒子加入步骤(1)所得的聚酰胺溶液中，镍纳米粒子的添加量为聚酰胺质量的5％，超声分散均匀得到溶液D；
(3)用溶液D进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为200rpm，纺丝液流动速率为10mL/h，电压20kV，接收距离10cm，纺丝20min，制备厚度80μm的电纺丝纤维膜；
(4)采用间歇式电源对步骤(3)的纳米纤维膜进行多次极化。。
(5)步骤(3)制备的聚乳酸纳米纤维膜的孔隙率为70％，纤维直径1000nm，纤维孔径600nm，经过检测聚酰胺纳米纤维膜的PM2.5初始过滤效率为99.6％，初始空气阻力为29Pa。
实施例6
(1)将等量的乙烯-醋酸酯共聚物和聚氨基甲酸酯溶于丙酮溶剂中，室温下磁力搅拌8h，搅拌均匀，得到乙烯-醋酸酯共聚物和聚氨基甲酸酯的质量浓度均为0.05g/mL的混合纺丝溶液C；
(2)将粒径100nm的纳米钛酸钡加入步骤(1)所得的纺丝溶液中，纳米Fe2O3的添加量为明胶/聚己内酯质量的30％，超声分散均匀得到溶液D；
(3)用溶液D进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为400rpm，纺丝液流动速率为8mL/h，电压7kV，接收距离8cm，纺丝13min，制备厚度40μm的电纺丝纤维膜；
(4)采用一次电晕极化对纳米纤维膜进行驻极。
(5)步骤(3)制备的聚乳酸纳米纤维膜的孔隙率为95％，纤维直径200nm，纤维孔径300nm，经过检测聚乙烯醇纳米纤维膜的PM2.5初始过滤效率为98.6％，初始空气阻力为20Pa。
对比例1
(1)将聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺溶剂中，室温磁力搅拌12h，搅拌均匀，得到聚丙烯腈质量浓度为0.1g/mL的聚丙烯腈纺丝溶液C；
(2)用溶液C进行静电纺丝，以不锈钢滚筒为接收装置，滚筒转动速率为100rpm，纺丝液流动速率为0.5mL/h，电压7kV，接收距离30cm，纺丝5min，制备纳米纤维膜；
(3)采用一次电晕极化对纳米纤维膜进行驻极。
(4)步骤(3)制备的聚乳酸纳米纤维膜的孔隙率为95％，纤维直径1500nm，纤维孔径3000nm，经过检测聚乳酸纳米纤维膜的PM2.5初始过滤效率为70％，初始空气阻力为18Pa。

Claims (6)

1.一种用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜，其特征在于所述复合纤维膜是由包括以下组分的原料制备而得：
各组分按重量份数计，
高分子材料100重量份；
高介电纳米粒子2～60重量份；
所述高分子材料为聚酰胺、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸乙酯、乙烯-醋酸酯共聚物、聚氨基甲酸酯、聚丙烯腈、二氟乙烯-三氟乙烯共聚物中的一种；
所述高介电纳米填料为纳米二氧化钛、纳米钛酸钡、银纳米粒子、镍纳米粒子、Fe3O4、多壁碳纳米管中的一种或组合。
2.如权利要求1所述的用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜，其特征在于：
高分子材料100重量份；
高介电纳米粒子5～50重量份。
3.如权利要求1所述的用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜，其特征在于：
所述高介电纳米填料的粒径范围为1-100nm。
4.如权利要求1～3之一所述的用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜，其特征在于：
所述含高介电纳米粒子的过滤纳米纤维膜的纤维直径为100-1000nm，膜的厚度为10um-100um，纤维膜孔隙率为70～95％，孔径为100-5000nm。
5.一种如权利要求1～4之一所述的用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜的制备方法，其特征在于所述方法包括：
(1)将所述高分子溶于溶剂中得到质量浓度为0.04-0.2g/mL的溶液C；
(2)向溶液C中加入所述用量的高介电纳米粒子，超声分散均匀，得到溶液D；
(3)用溶液D进行静电纺丝，制得所述高介电的过滤膜；
(4)采用一次电晕极化对纳米纤维膜进行驻极，或采用持续性/间歇性电源进行多次极化。
6.如权利要求5所述的用于防霾窗纱的聚合物/高介电纳米填料复合纤维膜的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中，滚筒转动速率为100-600rpm，纺丝液流动速率为0.5-10mL/h，电压7-20kV，接收距离8-30cm，纺丝时间2～30min。
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