CN108837598B - 一种静电纺聚酰亚胺纳米纤维高温过滤材料 - Google Patents

一种静电纺聚酰亚胺纳米纤维高温过滤材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种静电纺聚酰亚胺纳米纤维高温过滤材料，过滤材料是由如下方法制备的：提供第一ODA原料；将第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；向第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；提供第二ODA原料；将第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；向第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；对纤维层叠体进行热亚胺化处理；对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。

Description

一种静电纺聚酰亚胺纳米纤维高温过滤材料
技术领域
本发明涉及环保材料领域，特别涉及一种静电纺聚酰亚胺纳米纤维高温过滤材料。
背景技术
全球经济迅猛发展，能源消耗日益增加，电力、建材、冶金、钢铁、化工及汽车尾气等产生的高温烟气粉尘对大气造成了严重的污染。而一般的空气过滤材料对过小的粉尘过滤效果不佳，尤其是空气中PM2.5颗粒，其主要对呼吸系统和心血管系统造成伤害，更是对人体健康危害严重。静电纺丝纳米纤维由于其独特的性质，如比表面积大、渗透性好、孔径小、孔隙的连通性好，非常适合做高效气体过滤材料。因此，静电纺纳米纤维膜应用在高效过滤方面效果显著。静电纺丝技术萌芽于20世纪初期，从电喷技术发展演化而来的，是目前制备一维纳米结构材料的熏要方法之一。1917年，ZelenyJ[：]阐述了静电纺丝原理。由于静电纺丝生产效率低，1930年，美国出现了静电关于纺丝技术的专利，除部分应用过滤器外，几乎没有其他的报道。1934年，Formhals。列研究了制备聚合物超细纤维的静电纺丝装置，并申请了专利。1966年，Simons申请了由静电纺丝法制备超薄、超细纤维膜的专利。1981年，LarrondoHl等对熔融静电纺丝进行了研究。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供静电纺聚酰亚胺纳米纤维高温过滤材料，从而克服现有技术的缺点。
本发明提供了一种静电纺聚酰亚胺纳米纤维高温过滤材料，其特征在于：过滤材料是由如下方法制备的：提供第一ODA原料；将第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；向第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；提供第二ODA原料；将第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；向第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；对纤维层叠体进行热亚胺化处理；对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。
优选地，上述技术方案中，在第二溶液中，ODA浓度为12-14wt％，PMDA浓度为12-14wt％。
优选地，上述技术方案中，对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液具体为：水浴温度为80-90℃，水浴时间为3-4h，其中第一PAA溶液浓度为12-14wt％。
优选地，上述技术方案中，将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层具体为：纺丝电压为20-25kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为5-10cm，注射速度为2-4mL/h。
优选地，上述技术方案中，在第二PAA溶液中，ODA浓度为18-20wt％，BTDA浓度为18-20wt％。
优选地，上述技术方案中，将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体具体为：纺丝电压为30-35kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为10-15cm，注射速度为1-2mL/h。
优选地，上述技术方案中，对纤维层叠体进行热亚胺化处理具体为：将纤维层叠体放入干燥箱，并进行分段升温：第一段升温：100-130℃，升温速率为10-20℃/h，第二段升温：130-230℃，升温速率为40-50℃/h，第三段升温：230-350℃，升温速率为50-60℃/h。
优选地，上述技术方案中，对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理具体为：在氮气保护下，将经过热亚胺化处理的纤维层叠体加热至800-900℃，升温速率为100-150℃/min，保温时间为10-20min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：近几年来，国内开发了一些新型除尘设备，也引进了一些国外先进的除尘器，这为国产化滤布配套提供了市场。国内开发的新型除尘设备有长袋低压大型脉冲袋式除尘器、高压离线脉冲袋式除尘器、烧煤高效锅炉布袋除尘器等等，均需提供相应的各种系列耐高温滤料为其配套。面对如此庞大的市场需求，开发高效、价廉、耐用的耐高温滤料势在必行。然而我国在高温滤料的研究上，远落后于发达国家，因此有必要开发一种耐高温的先进滤材。目前现有技术提出了一些高温滤材的制备方法，其中包括聚酰亚胺静电纺丝纤维的制备方法，现有技术的方法的缺陷在于无论使用哪种方法，只能形成单层的聚酰亚胺纤维层，如果希望形成多层聚酰亚胺层，就必须完全重复制备步骤，这导致现有技术的方法制备效率低，制备成本高。本发明为了克服现有技术的缺陷，提出了一种一步法制备多层聚酰亚胺过滤材料的方法，本发明的方法制备成本低，生产效率高，具有非常好的技术效果。
具体实施方式
提供以下实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
过滤材料是由如下方法制备的：提供第一ODA原料；将第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；向第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；提供第二ODA原料；将第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；向第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；对纤维层叠体进行热亚胺化处理；对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。在第二溶液中，ODA浓度为12wt％，PMDA浓度为12wt％。对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液具体为：水浴温度为80℃，水浴时间为3h，其中第一PAA溶液浓度为12wt％。将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层具体为：纺丝电压为20kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为5cm，注射速度为2mL/h。在第二PAA溶液中，ODA浓度为18wt％，BTDA浓度为18wt％。将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体具体为：纺丝电压为30kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为10cm，注射速度为1mL/h。对纤维层叠体进行热亚胺化处理具体为：将纤维层叠体放入干燥箱，并进行分段升温：第一段升温：100-130℃，升温速率为10℃/h，第二段升温：130-230℃，升温速率为40℃/h，第三段升温：230-350℃，升温速率为50℃/h。对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理具体为：在氮气保护下，将经过热亚胺化处理的纤维层叠体加热至800℃，升温速率为100℃/min，保温时间为10min。
实施例2
过滤材料是由如下方法制备的：提供第一ODA原料；将第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；向第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；提供第二ODA原料；将第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；向第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；对纤维层叠体进行热亚胺化处理；对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。在第二溶液中，ODA浓度为14wt％，PMDA浓度为14wt％。对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液具体为：水浴温度为90℃，水浴时间为4h，其中第一PAA溶液浓度为14wt％。将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层具体为：纺丝电压为25kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为10cm，注射速度为4mL/h。在第二PAA溶液中，ODA浓度为20wt％，BTDA浓度为20wt％。将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体具体为：纺丝电压为35kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为15cm，注射速度为2mL/h。对纤维层叠体进行热亚胺化处理具体为：将纤维层叠体放入干燥箱，并进行分段升温：第一段升温：100-130℃，升温速率为20℃/h，第二段升温：130-230℃，升温速率为50℃/h，第三段升温：230-350℃，升温速率为60℃/h。对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理具体为：在氮气保护下，将经过热亚胺化处理的纤维层叠体加热至900℃，升温速率为150℃/min，保温时间为20min。
实施例3
过滤材料是由如下方法制备的：提供第一ODA原料；将第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；向第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；提供第二ODA原料；将第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；向第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；对纤维层叠体进行热亚胺化处理；对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。在第二溶液中，ODA浓度为13wt％，PMDA浓度为13wt％。对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液具体为：水浴温度为85℃，水浴时间为3.5h，其中第一PAA溶液浓度为13wt％。将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层具体为：纺丝电压为22kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为7cm，注射速度为3mL/h。在第二PAA溶液中，ODA浓度为19wt％，BTDA浓度为19wt％。将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体具体为：纺丝电压为32kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为12cm，注射速度为1.5mL/h。对纤维层叠体进行热亚胺化处理具体为：将纤维层叠体放入干燥箱，并进行分段升温：第一段升温：100-130℃，升温速率为15℃/h，第二段升温：130-230℃，升温速率为45℃/h，第三段升温：230-350℃，升温速率为55℃/h。对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理具体为：在氮气保护下，将经过热亚胺化处理的纤维层叠体加热至850℃，升温速率为120℃/min，保温时间为15min。
实施例4
过滤材料是由如下方法制备的：提供第一ODA原料；将第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；向第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；提供第二ODA原料；将第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；向第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；对纤维层叠体进行热亚胺化处理；对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。在第二溶液中，ODA浓度为15wt％，PMDA浓度为15wt％。对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液具体为：水浴温度为100℃，水浴时间为5h，其中第一PAA溶液浓度为15wt％。将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层具体为：纺丝电压为22kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为7cm，注射速度为3mL/h。在第二PAA溶液中，ODA浓度为19wt％，BTDA浓度为19wt％。将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体具体为：纺丝电压为32kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为12cm，注射速度为1.5mL/h。对纤维层叠体进行热亚胺化处理具体为：将纤维层叠体放入干燥箱，并进行分段升温：第一段升温：100-130℃，升温速率为15℃/h，第二段升温：130-230℃，升温速率为45℃/h，第三段升温：230-350℃，升温速率为55℃/h。对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理具体为：在氮气保护下，将经过热亚胺化处理的纤维层叠体加热至850℃，升温速率为120℃/min，保温时间为15min。
实施例5
过滤材料是由如下方法制备的：提供第一ODA原料；将第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；向第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；提供第二ODA原料；将第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；向第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；对纤维层叠体进行热亚胺化处理；对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。在第二溶液中，ODA浓度为13wt％，PMDA浓度为13wt％。对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液具体为：水浴温度为85℃，水浴时间为3.5h，其中第一PAA溶液浓度为13wt％。将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层具体为：纺丝电压为30kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为15cm，注射速度为5mL/h。在第二PAA溶液中，ODA浓度为19wt％，BTDA浓度为19wt％。将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体具体为：纺丝电压为32kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为12cm，注射速度为1.5mL/h。对纤维层叠体进行热亚胺化处理具体为：将纤维层叠体放入干燥箱，并进行分段升温：第一段升温：100-130℃，升温速率为15℃/h，第二段升温：130-230℃，升温速率为45℃/h，第三段升温：230-350℃，升温速率为55℃/h。对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理具体为：在氮气保护下，将经过热亚胺化处理的纤维层叠体加热至850℃，升温速率为120℃/min，保温时间为15min。
实施例6
过滤材料是由如下方法制备的：提供第一ODA原料；将第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；向第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；提供第二ODA原料；将第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；向第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；对纤维层叠体进行热亚胺化处理；对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。在第二溶液中，ODA浓度为13wt％，PMDA浓度为13wt％。对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液具体为：水浴温度为85℃，水浴时间为3.5h，其中第一PAA溶液浓度为13wt％。将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层具体为：纺丝电压为22kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为7cm，注射速度为3mL/h。在第二PAA溶液中，ODA浓度为15wt％，BTDA浓度为15wt％。将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体具体为：纺丝电压为25kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为5cm，注射速度为3mL/h。对纤维层叠体进行热亚胺化处理具体为：将纤维层叠体放入干燥箱，并进行分段升温：第一段升温：100-130℃，升温速率为15℃/h，第二段升温：130-230℃，升温速率为45℃/h，第三段升温：230-350℃，升温速率为55℃/h。对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理具体为：在氮气保护下，将经过热亚胺化处理的纤维层叠体加热至850℃，升温速率为120℃/min，保温时间为15min。
实施例7
过滤材料是由如下方法制备的：提供第一ODA原料；将第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；向第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；提供第二ODA原料；将第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；向第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；对纤维层叠体进行热亚胺化处理；对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。在第二溶液中，ODA浓度为13wt％，PMDA浓度为13wt％。对第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液具体为：水浴温度为85℃，水浴时间为3.5h，其中第一PAA溶液浓度为13wt％。将第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层具体为：纺丝电压为22kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为7cm，注射速度为3mL/h。在第二PAA溶液中，ODA浓度为19wt％，BTDA浓度为19wt％。将第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体具体为：纺丝电压为32kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为12cm，注射速度为1.5mL/h。对纤维层叠体进行热亚胺化处理具体为：将纤维层叠体放入干燥箱，并进行分段升温：第一段升温：100-130℃，升温速率为30℃/h，第二段升温：130-230℃，升温速率为30℃/h，第三段升温：230-350℃，升温速率为40℃/h。对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理具体为：在氮气保护下，将经过热亚胺化处理的纤维层叠体加热至1000℃，升温速率为200℃/min，保温时间为30min。
对实施例1-7进行500℃下，粉煤灰和矿渣过滤测试，测试方法遵循国家标准，测试结果相对于实施例1进行归一化处理。
表1
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种静电纺聚酰亚胺纳米纤维高温过滤材料，其特征在于：所述过滤材料是由如下方法制备的：
提供第一ODA原料；
将所述第一ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第一溶液；
向所述第一溶液中加入PMDA及苯酐，得到第二溶液；
对所述第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液；
将所述第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层；
提供第二ODA原料；
将所述第二ODA原料溶于DMAc溶剂，得到第三溶液；
向所述第三溶液中加入BTDA，得到第二PAA溶液；
将所述第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体；
对所述纤维层叠体进行热亚胺化处理；对所述纤维层叠体进行热亚胺化处理具体为：将所述纤维层叠体放入干燥箱，并进行分段升温：第一段升温：100-130℃，升温速率为10-20℃/h，第二段升温：130-230℃，升温速率为40-50℃/h，第三段升温：230-350℃，升温速率为50-60℃/h；
对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理。
2.如权利要求1所述的过滤材料，其特征在于：在所述第二溶液中，ODA浓度为12-14wt％，所述PMDA浓度为12-14wt％。
3.如权利要求1所述的过滤材料，其特征在于：对所述第二溶液进行搅拌，并进行水浴，得到第一PAA溶液具体为：水浴温度为80-90℃，水浴时间为3-4h，其中第一PAA溶液浓度为12-14wt％。
4.如权利要求1所述的过滤材料，其特征在于：将所述第一PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在基板上形成第一PAA无纺布纤维层具体为：纺丝电压为20-25kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为5-10cm，注射速度为2-4mL/h。
5.如权利要求1所述的过滤材料，其特征在于：在第二PAA溶液中，ODA浓度为18-20wt％，所述BTDA浓度为18-20wt％。
6.如权利要求1所述的过滤材料，其特征在于：将所述第二PAA溶液加入注射器中，并利用静电纺丝方法在第一PAA纤维层上形成第二PAA纤维层，得到纤维层叠体具体为：纺丝电压为30-35kV，注射筒喷嘴与接收基板之间距离为10-15cm，注射速度为1-2mL/h。
7.如权利要求1所述的过滤材料，其特征在于：对经过热亚胺化处理的纤维层叠体进行热处理具体为：在氮气保护下，将经过热亚胺化处理的纤维层叠体加热至800-900℃，升温速率为100-150℃/min，保温时间为10-20min。
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