CN109289327B - 一种具备抗菌的高效空气过滤膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气过滤以及膜材料制备技术领域，具体涉及一种具备抗菌的高效空气过滤膜，包括基底和复合纳米纤维层，所述复合纳米纤维层覆盖在基底之上，所述复合纳米纤维层与基底完全紧密贴合，所述复合纳米纤维层由至少三种材料纺织而成，所述复合纳米纤维层呈现为珠串结构。本发明的具备抗菌的高效空气过滤膜制备方法，将石墨烯、阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物加入到可挥发的有机溶剂中，采用静电纺丝设备，设置工艺参数，将前驱液电纺到基底表面，形成复合纳米纤维层。本发明具有高效过滤的功能同时防止细菌滋生等二次危害。

Description

一种具备抗菌的高效空气过滤膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种通过改性具备抗菌和高效低阻的空气过滤复合纳米纤维膜，属于空气过滤以及膜材料制备技术领域。

背景技术

近年来，随着人类的生产活动范围的扩大需求的扩张、经济的快速发展的同时所引发的环境变化而带来了一系列的人类生存的严峻考验。全球性的空气污染正在逐年增加，从伦敦烟雾事件以来，空气质量已经成为各国在环境方面的一个备受关注的热点。随着我国进入改革开放，我国的高速发展也同样带来了严峻的空气质量问题，从“雾霾”一词第一次出现到现在已经成为人们日常生活讨论的热点话题，PM2.5的关注更是将空气质量问题推向了一个顶峰。雾霾的出现会引发多种呼吸道疾病，严重影响了人们日常的出行与活动，PM2.5是一种无法被人体自身鼻绒毛等过滤系统所过滤掉的微小颗粒，它会随着呼吸进入人体的肺部沉积从而引发严重的肺部疾病，PM2.5的解决是雾霾问题中需要被解决的一大重难点问题。

目前市面上，大多数的口罩以及空气过滤装置主要是采用单一的无纺布所构成，功能较于单一，渐渐的不能很好满足人们对于空气过滤效能所提出的新的需求。近年来开发的防雾霾空气过滤膜，主要以高分子过滤膜为核心材料，该膜在空气过滤过程中又存在很大的压降，并且一般不具备抗菌能力，容易发生细菌滋生等二次伤害。

发明内容

为此，本次发明的目的是对目前市面常用的空气过滤膜进行一系列改性，使得该空气过滤膜具有更高的过滤效率，同时对微小颗粒具备更好的过滤能力，并且具备较好的抗菌性能，解决了目前市面空气过滤膜对于微小颗粒过滤能力以及细菌滋生发生二次伤害问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具备抗菌的高效空气过滤膜，包括基底和复合纳米纤维层，所述复合纳米纤维层覆盖在基底之上，所述复合纳米纤维层与基底完全紧密贴合，所述复合纳米纤维层由至少三种材料纺织而成，所述复合纳米纤维层呈现为珠串结构，所述珠粒的形貌呈球形、椭球形、纺锤形或细长纺锤形；珠粒的平均宽为200～2000nm，平均长度为500～3000nm。

优选的，所述基底为无纺布，其材料为聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯等一种或者几种。

优选的，所述复合纳米纤维层采用静电纺丝的方法覆盖于所述的基底之上，所述复合纳米纤维层的电纺材料是由石墨烯、阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物中的至少三种材料制作成。

优选的，所述阳离子聚合物为聚甲基丙烯酸N、N-二甲基氨基乙酯、聚甲基丙烯酸N、N-二甲氨基乙酯-聚己内酯、聚甲基丙烯酸N、N-二甲氨基乙酯-聚乙二醇、聚甲基丙烯酸N、N-二甲氨基乙酯-聚-β-羟丁酸中的一种或多种。

优选的，所述的高分子驻极体聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯中的一种或几种。

一种具备抗菌的高效空气过滤膜的制备方法，该方法用于制备如上所述的空气过滤膜，包括以下步骤：

1)将石墨烯和高分子驻极体聚合物加入到可挥发的有机溶剂中，充分搅拌，超声分散，使其均匀混合，配制成石墨烯和高分子驻极体聚合物共混的第一前驱液A，其中石墨烯的质量体积浓度为0.2-20mg/10mL，高分子驻极体聚合物的质量体积浓度为0.1-10g/10mL。

2)将阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物加入到可挥发的有机溶剂中，充分搅拌，均匀混合，配制成阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物共混的第二前驱液B，其中阳离子聚合物的质量体积浓度为0.5-50mg/10mL，高分子驻极体聚合物的质量体积浓度为0.1-10g/10mL。

3)采用静电纺丝设备，设置工艺参数，将第一前驱液A和第二前驱液B 电纺到基底表面，形成复合纳米纤维层；所述的工艺参数为：点胶针头针尖与接收器距离为5-15cm，电压为6-15kV，注射泵速度为50-400μL/h。

优选的，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基酮、二甲基亚砜中的一种或几种。

优选的，所述接收器采用滚筒接收器，其转速为50-600r/min。

优选的，所述静电纺丝设备具有两个针筒，两个针筒分别加载第一前驱液A和第二前驱液B，同时电纺制备复合纳米纤维层。

优选的，两个针筒分别布置于滚筒的两侧。

区别于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明中，由于采用了高分子驻极体聚合物作为主要电纺材料以及石墨烯的加入，使得在静电纺丝纤维的过滤优势下，过滤效率有明显提升并且对于空气中的烟雾、粉尘等特别是细小微颗粒的截取有着显著的优势；

由于采用了阳离子聚合物以及石墨烯的加入，能够有效的抑制附着过滤膜表面的细菌生长，防止了由于细菌滋生所引发的二次伤害，并且采用珠串结构使得过滤膜表面呈现出纳米微米复合出现的结构，不仅使得过滤膜呈现强疏水性不易于细菌生长而且纳米微米复合表面对于抗污也有一定功效。

附图说明

图1为本发明实施例1的具备抗菌的高效空气过滤膜的结构示意图，其中。

图2为本发明实施例1-3的具备抗菌的高效空气过滤膜制备过程中针筒及收集器位置示意图。

图3为本发明实施例1-3的具备抗菌的高效空气过滤膜的制备流程图。

附图标记：

1为阳离子聚合物/高分子驻极体纤维，2为石墨烯/高分子驻极体纤维，3 为基底，4为纤维珠串结构的珠粒，5、6为针筒的点胶针头针尖，7为滚筒收集器。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

实施例1：

针筒包括筒身和点胶针头，

请参阅图1至图3所示，本实施例的一种具备抗菌的高效空气过滤膜，包括基底和复合纳米纤维层，所述复合纳米纤维层覆盖在基底之上，所述复合纳米纤维层与基底完全紧密贴合，所述复合纳米纤维层由至少三种材料纺织而成，所述复合纳米纤维层呈现为珠串结构，所述珠粒的形貌呈球形、椭球形、纺锤形或细长纺锤形；珠粒的平均宽为200～2000nm，平均长度为500～ 3000nm。本实施例中的空气过滤膜是双层结构。

本实施例中，所述基底为无纺布，其材料为聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯等一种或者几种。所述复合纳米纤维层采用静电纺丝的方法覆盖于所述的基底之上，所述复合纳米纤维层的电纺材料是由石墨烯、阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物中的至少三种材料制作成。厚度控制在5μm左右。

其中所述的阳离子聚合物为聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯、聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-聚己内酯、聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-聚乙二醇、聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-聚-β-羟丁酸等一种或多种，但不仅限于这几种材料；所述的高分子驻极体聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等一种或几种，但不仅限于这几种材料；所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基酮、二甲基亚砜等一种或几种，但不仅限于这几种材料。

本实施例的具备抗菌的高效空气过滤膜的制备过程中，以无纺布作为基底用以支撑复合纳米纤维层，无纺布具有很好的柔韧性，将阳离子聚合物以及石墨烯分别加入高分子驻极体聚合物前驱液中，通过静电纺丝的双针筒共纺法可以达到很好的分布均匀性，使阳离子聚合物以及石墨烯与高分子驻极体聚合物获得的前驱液A以及前驱液B通过静电纺丝制得的纤维交错均匀的覆盖在无纺布基底上，其厚度控制在5μm左右，利用高分子驻极体聚合物和石墨烯通过静电纺丝后的驻极效应，使得对于空气中的颗粒以及微小颗粒的过滤以及截取能力都大大的获得了提升；利用阳离子聚合物和石墨烯的物理、化学作用对于附着于过滤膜上的细菌产生效果显著的抑制作用；采用的珠串结构所形成的微纳米表面复合结构使得空气过滤膜具有强疏水性，这种强疏水性既不利于细菌的生长又具有一定的抗污能力，其具体指标方法如下：

1)将石墨烯和高分子驻极体聚合物加入到可挥发的有机溶剂中，充分搅拌，超声分散，使其均匀混合，配制成石墨烯和高分子驻极体聚合物共混的前驱液A，其中石墨烯的质量体积浓度为0.2-20mg/10mL，高分子驻极体聚合物的质量体积浓度为0.1-10g/10mL。

2)将阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物加入到可挥发的有机溶剂中，充分搅拌，均匀混合，配制成阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物共混的前驱液B，其中阳离子聚合物的质量体积浓度为0.5-50mg/10mL，高分子驻极体聚合物的质量体积浓度为0.1-10g/10mL。

3)采用静电纺丝设备，设置工艺参数，将前驱液电纺到基底表面，形成复合纳米纤维层；所述的工艺参数为：点胶针头针尖与接收器距离为5-15cm，电压为6-15kV，注射泵速度为50-400μL/h。

为了进一步详细说明具备抗菌的高效空气过滤膜的制备方法，参考图2所示，实施例2实施例3给出了更为详细的工艺流程及步骤。

实施例2：

步骤A、制备0.5mg石墨烯/聚偏氟乙烯前驱液A，称取0.5mg石墨烯，称取1g的聚偏氟乙烯，将1g聚偏氟乙烯加入到5mLN，N-二甲基甲酰胺和 5mL二甲基酮中，均匀搅拌，再将0.5mg石墨烯加入到聚偏氟乙烯溶液中，均匀搅拌，超声分散，使前驱液A分散均匀。

步骤B、制备0.5mg聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯/聚偏氟乙烯前驱液B，称取0.5mg聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯，称取1g的聚偏氟乙烯，将1g聚偏氟乙烯加入到5mLN，N-二甲基甲酰胺和5mL二甲基酮中，均匀搅拌，再将0.5mg聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯加入到聚偏氟乙烯溶液中，均匀搅拌，超声分散，使前驱液B分散均匀。

步骤C、将无纺布放置在金属滚筒上，金属滚筒接地。

步骤D、将配置好的前驱液A和前驱液B，分别用注射器放置于金属滚筒两侧，配置点胶针头，在针尖处夹直流高压源正极，针尖距离金属滚筒7cm，电压7kV，推进速度为300μL/h，滚筒转速为100r/min，分别将0.5mg石墨烯/聚偏氟乙烯前驱液A和0.5mg聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯/聚偏氟乙烯前驱液B交错相叠均匀的电纺在无纺布基底上，形成复合纳米纤维膜。

实施例3：

步骤A、制备19mg石墨烯/聚偏氟乙烯前驱液A，称取19mg石墨烯，称取1g的聚偏氟乙烯，将1g聚偏氟乙烯加入到5mL二甲基亚砜和5mL二甲基酮中，均匀搅拌，再将19mg石墨烯加入到聚偏氟乙烯溶液中，均匀搅拌，超声分散，使前驱液A分散均匀。

步骤B、制备1mg聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-聚己内酯/聚偏氟乙烯前驱液B，称取1mg聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-聚己内酯，称取1g 的聚偏氟乙烯，将1g聚偏氟乙烯加入到5mL二甲基亚砜和5mL二甲基酮中，均匀搅拌，再将1mg聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-聚己内酯加入到聚偏氟乙烯溶液中，均匀搅拌，超声分散，使前驱液B分散均匀。

步骤C、将无纺布放置在金属滚筒上，金属滚筒接地。

步骤D、将配置好的前驱液A和前驱液B，分别用注射器放置于金属滚筒两侧，配置点胶针头，在针尖处夹直流高压源正极，针尖距离金属滚筒10cm，电压前驱液B为7kV；前驱液A为9kV，推进速度为300μL/h，滚筒转速为50r/min，分别将19mg石墨烯/聚偏氟乙烯前驱液A和1mg聚甲基丙烯酸N,N- 二甲氨基乙酯-聚己内酯/聚偏氟乙烯前驱液B交错相叠均匀的电纺在无纺布基底上，形成复合纳米纤维膜。

本实施例2，3由于采用了高分子驻极体聚合物作为主要电纺材料以及石墨烯的加入，使得在静电纺丝纤维的过滤优势下，过滤效率有明显提升并且对于空气中的烟雾、粉尘等特别是细小微颗粒的截取有着显著的优势；由于采用了阳离子聚合物以及石墨烯的加入，能够有效的抑制附着过滤膜表面的细菌生长，防止了由于细菌滋生所引发的二次伤害，并且采用珠串结构使得过滤膜表面呈现出纳米微米复合出现的结构，不仅使得过滤膜呈现强疏水性不易于细菌生长而且纳米微米复合表面对于抗污也有一定功效。

本实施例中的具备抗的菌高效空气过滤膜是具备抑制细菌生长的高效低阻的多层次复合纳米纤维膜，以多种可选材料为支撑层的基底、以多种可选材料静电纺丝制取的复合纳米纤维层两个部分，石墨烯、阳离子聚合物其特性使得滤膜具备抗菌性能，驻极体高分子在电场作用下产生持久极性增加了过滤效率，材料以及所生成的珠状结构使得滤膜具备高疏水性。其制备方法如下：将石墨烯和阳离子聚合物以不同浓度分别与驻极体高分子聚合物制成混合溶液，以多种材料为基底，采用静电纺丝法制备复合纳米纤维滤膜，这种以石墨烯、阳离子聚合物以及驻极体高分子聚合物为材料复合纳米纤维膜，具有高疏水性、驻极性、抗菌性、高效性的特点，可对烟雾、粉尘、PM2.5 等细小颗粒实现了高效过滤的功能同时防止细菌滋生等二次危害，可用于家居净化等多种场所。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具备抗菌的高效空气过滤膜，其特征在于：包括基底和复合纳米纤维层，所述复合纳米纤维层覆盖在基底之上，所述复合纳米纤维层与基底完全紧密贴合，所述复合纳米纤维层由至少三种材料纺织而成，所述复合纳米纤维层呈现为珠串结构，所述珠串结构的形貌呈球形、椭球形、纺锤形或细长纺锤形，所述复合纳米纤维层采用静电纺丝的方法覆盖于所述的基底之上，所述复合纳米纤维层的电纺材料是由石墨烯、阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物中的至少三种材料制作成，所述复合纳米纤维层是采用以下方式覆盖在基底之上：

1）将石墨烯和高分子驻极体聚合物加入到可挥发的有机溶剂中，充分搅拌，超声分散，使其均匀混合，配制成石墨烯和高分子驻极体聚合物共混的第一前驱液A，其中石墨烯的质量体积浓度为0.2-20mg/10mL，高分子驻极体聚合物的质量体积浓度为0.1-10g/10mL，

2）将阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物加入到可挥发的有机溶剂中，充分搅拌，均匀混合，配制成阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物共混的第二前驱液B，其中阳离子聚合物的质量体积浓度为0.5-50mg/10mL，高分子驻极体聚合物的质量体积浓度为0.1-10g/10mL，

3）采用静电纺丝设备，设置工艺参数，将第一前驱液A和第二前驱液B电纺到基底表面，形成复合纳米纤维层；所述的工艺参数为：针筒的点胶针头针尖与接收器距离为5-15cm，电压为6-15kV，注射泵速度为50-400μL/h。

2.根据权利要求1所述的具备抗菌的高效空气过滤膜，其特征在于：所述基底为无纺布，其材料为聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯中的一种或者几种。

3.根据权利要求1所述的具备抗菌的高效空气过滤膜，其特征在于：所述阳离子聚合物为聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯、聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-聚己内酯、聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-聚乙二醇、聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-聚-β-羟丁酸中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的具备抗菌的高效空气过滤膜，其特征在于：所述的高分子驻极体聚合物为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯中的一种或几种。

5.一种具备抗菌的高效空气过滤膜的制备方法，该方法用于制备如权利要求1-4任一所述的空气过滤膜，其特征在于，包括以下步骤：

1）将石墨烯和高分子驻极体聚合物加入到可挥发的有机溶剂中，充分搅拌，超声分散，使其均匀混合，配制成石墨烯和高分子驻极体聚合物共混的第一前驱液A，其中石墨烯的质量体积浓度为0.2-20mg/10mL，高分子驻极体聚合物的质量体积浓度为0.1-10g/10mL，

2）将阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物加入到可挥发的有机溶剂中，充分搅拌，均匀混合，配制成阳离子聚合物和高分子驻极体聚合物共混的第二前驱液B，其中阳离子聚合物的质量体积浓度为0.5-50mg/10mL，高分子驻极体聚合物的质量体积浓度为0.1-10g/10mL，

3）采用静电纺丝设备，设置工艺参数，将第一前驱液A和第二前驱液B电纺到基底表面，形成复合纳米纤维层；所述的工艺参数为：针筒的点胶针头针尖与接收器距离为5-15cm，电压为6-15kV，注射泵速度为50-400μL/h。

6.根据权利要求5所述的具备抗菌的高效空气过滤膜的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基酮、二甲基亚砜中的一种或几种。

7.根据权利要求5所述的具备抗菌的高效空气过滤膜的制备方法，其特征在于：所述接收器采用滚筒接收器，其转速为50-600r/min。

8.根据权利要求5所述的一种具备抗菌的高效空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝设备具有两个针筒，两个针筒分别加载第一前驱液A和第二前驱液B，同时电纺制备复合纳米纤维层。

9.根据权利要求8所述的一种具备抗菌的高效空气过滤膜的制备方法，其特征在于，两个针筒分别布置于滚筒的两侧。

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