CN109289328A - 一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料及其制备方法 - Google Patents

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张立志
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Abstract

本发明公开了一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料及其制备方法。所述复合驻极体过滤材料由主过滤层和包覆在主过滤层上、下表面的绝缘过滤层组成，其中主过滤功能层由高介电静电纺丝纳米纤维组成，绝缘过滤层由低介质损耗的静电纺微米纤维和分散在微米纤维中的有机驻极纳米颗粒组成。本发明的复合驻极体过滤材料具有很高的电荷储存密度和电荷储存稳定性，表面静电势可长期稳定在0.8‑2.0KV，对PM2.5的过滤效率≥98%，过滤压降为20‑50Pa之间，且机械性能好，使用寿命长，制备工艺简单，在室内环境净化领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明属于空气净化与室内空气品质领域，具体涉及一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料及其制备方法，通过复合不同介电特性的聚合物制备得到兼具高电荷储存量和低介质损耗的三层结构复合驻极体过滤材料。
背景技术
传统机械过滤材料在达到较高过滤效率时过滤阻力也很高。驻极体过滤材料在常规物理拦截、惯性碰撞和布朗扩散的基础上引入静电捕获作用，可以在不增加过滤阻力情况下提高颗粒的捕获效率。
目前商用驻极体过滤材料表面电荷及空间电荷易耗散，驻极工艺相对复杂；特别是，它们多由微米纤维组成，对亚微米级颗粒物的过滤性能很差。
静电纺丝技术可以获得纳米级别纤维，比表面积大、孔隙率高，适合于亚微米细颗粒的捕获，同时也是制备驻极体过滤材料的一种新型方法。但静电纺驻极体纳米纤维多带有极性基团，储存的电荷极易耗散，且多为单层薄膜结构，机械强度不足以支撑膜组件的制备，这大大影响了该种滤料的推广使用。
公开的增强驻极体过滤材料电荷储存稳定性的研究已经较为广泛。国内2015年1月21日公开的CNIO4289042A发明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。
上述技术的不足之处在于：这种方法虽然可以增强驻极体滤材初始表面电势，但长期使用电荷储存稳定性仍较差，且工艺相对复杂。
国内2017年12月15日公开的CN107469466发明专利介绍了一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料及制备方法，该发明在纺丝过程中通过环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置，采用双区域隔离纺丝控制技术制备兼具微米纤维和纳米纤维的三维结构复合材料，利用此材料的静电效应，能够有效的保持驻极体的电荷稳定性，从而保持较高的过滤效率。
上述技术的不足之处在于：虽能有效保持驻极体电荷稳定性，但纤维膜机械强度不足，且装置较为复杂，滤材成本较高。
发明内容
本发明的目的是：通过复合不同介电特性的聚合物制备得到兼具高电荷储存密度和低介质损耗的三层结构复合驻极体过滤材料，从而在整体上持久保持滤料内部电荷，保证滤料长期较高的过滤效率。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料，该高低介电聚合物复合驻极体过滤材料由主过滤层和包覆在主过滤层上、下表面的绝缘过滤层组成，其中主过滤层为高介电常数聚合物经过静电纺丝而成的微米纤维膜，绝缘过滤层为低介电损耗聚合物及有机驻极纳米颗粒经过静电纺丝而成的纳米纤维膜。所述主过滤层的成分为高介电常数、电荷储存密度大的聚合物，绝缘过滤层的成分为绝缘电阻大、介电损耗低的聚合物。
优选的，所述有机驻极纳米颗粒为可溶性聚四氟乙烯粒、聚四氟乙烯和聚三氟氯乙烯中的一种或几种，粒径为50-150nm。
优选的，所述低介电损耗聚合物为聚苯乙烯、聚酰胺、聚醚酰亚胺中的一种或几种。
优选的，所述高介电常数聚合物为聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯中的一种或几种。
优选的，所述绝缘过滤层的克重为1-5g/m2，孔隙率≥60%，纤维直径为1-5μm，主过滤层的克重为1-5g/m2，孔隙率≥80%，纤维直径为60-300nm。
优选的，所述高低介电聚合物复合驻极体过滤材料可产生静电场，表面静电势可长期稳定在0.8-2.0 KV，对PM2.5的过滤效率≥98%，过滤压降为20-50Pa。
以上所述的一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）配制两种纺丝液：将有机驻极纳米颗粒加入到溶剂当中，超声震荡直至有机驻极纳米颗粒分散均匀，再加入低介电损耗聚合物，恒温搅拌直至溶质溶解均匀，得到1号聚合物纺丝液；将高介电常数聚合物加入到溶剂中，恒温搅拌直至溶质溶解均匀，得到2号聚合物纺丝液；
（2）静电纺丝：首先将1号聚合物纺丝液通过静电纺丝工艺制备为微米纤维膜得到绝缘过滤层，然后将2号纺丝液通过静电纺丝工艺制备为纳米纤维膜，并纺在绝缘过滤层表面得到主过滤层，最后将1号聚合物纺丝液通过静电纺丝工艺制备成微米纤维膜，并纺在主过滤层上，得复合纤维膜材料；
（3）将步骤（2）制备的复合纤维膜材料干燥，得到所述高低介电聚合物复合驻极体过滤材料。
优选的，步骤（1）所述有机驻极纳米颗粒在1号聚合物纺丝液中的浓度为0.001-5wt.%；所述低介电损耗聚合物在1号聚合物纺丝液中的浓度为10-25wt.%；所述高介电常数聚合物在2号聚合物纺丝液中的浓度为5-20wt.%。
优选的，步骤（1）所述溶剂为N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二氯甲烷中的一种或几种。
优选的，步骤（2）中，设定静电纺丝的电压为10-18KV,接收距离为10-20cm，注射速度为0.05-0.25mm/min，温度为0-40℃，相对湿度为20-80%。
优选的，步骤（3）所述干燥是先在室温下干燥4-6小时，然后在40-60℃下真空干燥4-6小时。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明首次采用不同介电特性的聚合物材料制备得到复合纤维膜结构，且上下绝缘层聚合物绝缘电阻大，中间主过滤层聚合物介电常数高，这样能使复合驻极体过滤材料兼具高电荷储存量和电荷储存稳定性，从而具有长期稳定的高过滤效率。
(2)本发明采用微米纤维/纳米纤维复合结构，上下绝缘层为微米级别纤维，中间主过滤层为纳米级别纤维，所得复合过滤材料对亚微米级颗粒过滤效率高且机械强度较好。
(3)本发明过滤材料的制作方法较为简单，只需静电纺丝即可完成，不需要特殊装置和设备，可适用于一系列广泛的驻极体过滤材料的制备。
附图说明
图1是本发明所用静电纺丝装置的结构示意图。
图2是本发明的高低介电聚合物复合驻极体纤维膜电荷分布示意图。
图3是本发明的高低介电聚合物复合驻极体过滤材料结构示意图。
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。
本发明所用静电纺丝装置的结构示意图如图1所示，该装置包括上面放基底的平板接收器1，高压静电系统2和纺丝液推注系统3。
本发明的高低介电聚合物复合驻极体纤维膜电荷分布示意图如图2所示，其中4为绝缘过滤层，5为主过滤层，6为绝缘过滤层，7为偶极矩，8为空间电荷。
本发明的高低介电聚合物复合驻极体过滤材料结构示意图如图3所示， 9是有机驻极纳米颗粒，10是纳米纤维层，11是微米纤维层。
实施例1
本实施例的一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料及其制备方法，具体步骤为：
(1)用电子天平准确称取13.2g N-N二甲基甲酰胺和13.2g四氢呋喃置于50mL烧杯中，然后称取0.02g纳米聚四氟乙烯(纯度99.5%，平均粒径20nm)置于上述混合溶剂中，用超声震荡仪震荡1.5h，接着用电子天平准确称取3.6g聚苯乙烯置于上述烧杯中，加入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌8个小时，配置成均匀稳定的纺丝液，编号为1。用电子天平准确称取13.2g N-N二甲基甲酰胺和13.2g四氢呋喃置于50mL烧杯中，然后称取3.6g聚氯乙烯置于上述混合溶剂中，加入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌8个小时，配置成均匀稳定的纺丝液，编号为2。
(2)使用图1所示的静电纺丝设备进行静电纺丝，选择1号聚苯乙烯纺丝液纺丝，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18KV，推注速度为0.14mm/min，温度为35℃，相对湿度为40%，纺丝时间为30min，得到绝缘层聚苯乙烯纤维膜；随后以绝缘层纤维膜为基底，选择2号聚氯乙烯纺丝液纺丝，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0.14mm/min，温度为35℃，相对湿度为40%，纺丝时间为20min，得到主过滤层聚氯乙烯纤维膜；随后以主过滤层纤维膜为基底，选择1号聚苯乙烯纺丝液纺丝，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18KV，推注速度为0.14mm/min，温度为35℃，相对湿度为40%，纺丝时间为30min，得到另一绝缘层聚苯乙烯纤维膜。
(3)将步骤(2)制备的复合纤维膜材料在室温下干燥4h，然后在60℃下真空干燥4h，得到所述高低介电聚合物复合驻极体过滤材料。
本实施例所制得高低介电聚合物复合驻极体过滤材料的绝缘过滤层的克重为2.58g/m2，孔隙率92.5%，纤维直径为2-5μm，主过滤层的克重为1.82g/m2，孔隙率99.3%，纤维直径为100-300nm。
本实施例所制得高低介电聚合物复合驻极体过滤材料初始表面电势为1.83KV，膜过滤效率为98.75%，压降为30Pa。三天后表面电势稳定在1.56KV，膜过滤效率为97.66%，压降约为30Pa。说明绝缘层能够有效阻止主过滤层的电荷耗散，从而保持滤材整体长期稳定的过滤效率。
实施例2
本实施例的一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料及其制备方法，具体步骤为：
(1)用电子天平准确称取13.2g N-N二甲基甲酰胺和13.2g四氢呋喃置于50mL烧杯中，然后称取0.02g纳米聚三氟氯乙烯(纯度99.5%，平均粒径30nm)置于上述混合溶剂中，用超声震荡仪震荡1.5h，接着用电子天平准确称取3.6g聚苯乙烯置于上述烧杯中，加入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌8个小时，配置成均匀稳定的纺丝液，编号为1。用电子天平准确称取26.4g N-N二甲基甲酰胺置于50mL烧杯中，然后称取3.6g聚丙烯腈置于上述混合溶剂中，加入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌6个小时，配置成均匀稳定的纺丝液，编号为2。
(2)使用图1所示的静电纺丝设备进行静电纺丝，选择1号1聚苯乙烯纺丝液纺丝，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18KV，推注速度为0.14mm/min，温度为30℃，相对湿度为35%，纺丝时间为30min，得到绝缘层聚苯乙烯纤维膜；随后以绝缘层纤维膜为基底，选择2号聚丙烯腈纺丝液纺丝，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14KV，推注速度为0.18mm/min，温度为30℃，相对湿度为35%，纺丝时间为25min，得到主过滤层聚丙烯腈纤维膜；随后以主过滤层纤维膜为基底，选择1号聚苯乙烯纺丝液纺丝，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18KV，推注速度为0.14mm/min，温度为30℃，相对湿度为35%，纺丝时间为30min，得到另一绝缘层聚苯乙烯纤维膜。
(3)将步骤(2)制备的复合纤维膜材料在室温下干燥4h，然后在60℃下真空干燥4h，得到所述高低介电聚合物复合驻极体过滤材料。
本实施例所制得高低介电聚合物复合驻极体过滤材料的绝缘过滤层的克重为2.87g/m2，孔隙率93.34%，纤维直径为2-5μm，主过滤层的克重为1.22g/m2，孔隙率99.23%，纤维直径为80-260nm。
本实施例所制得绝缘/导电/绝缘复合微米/纳米/微米纤维膜材料初始表面电势为1.63KV，膜过滤效率为99.75%，压降为35Pa。三天后表面电势稳定在1.30KV，膜过滤效率为98.59%，压降约为35Pa。说明绝缘层能够有效阻止主过滤层的电荷耗散，从而保持滤材整体长期稳定的过滤效率。
实施例3
本实施例的一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料的制备方法，具体步骤为：
(1)用电子天平准确称取12.75g N-N二甲基甲酰胺和12.75g四氢呋喃置于50mL烧杯中，然后称取0.025g纳米聚四氟乙烯(纯度99.5%，平均粒径100nm)置于上述混合溶剂中，用超声震荡仪震荡1.5h，接着用电子天平准确称取4.5g聚酰胺置于上述混合溶剂中，加入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌10个小时后，配置成均匀稳定的纺丝液，编号为1。用电子天平准确称取13.2g N-N二甲基甲酰胺和13.2g四氢呋喃置于50mL烧杯中，烧杯编号为2号，然后称取3.6g聚氯乙烯置于上述混合溶剂中，加入搅拌子，在磁力搅拌器上搅拌8个小时后，配置成均匀稳定的纺丝液，编号为2。
(2)使用图1所示的静电纺丝设备进行静电纺丝，选择1号聚酰胺纺丝液纺丝，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15KV，推注速度为0.14mm/min，温度为30℃，相对湿度为30%，纺丝时间为35min，得到绝缘层聚酰胺纤维膜；随后以绝缘层纤维膜为基底，选择2号聚氯乙烯纺丝液纺丝，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0.14mm/min，温度为30℃，相对湿度为30%，纺丝时间为20min，得到主过滤层聚氯乙烯纤维膜；随后以主过滤纤维膜为基底，选择1号聚酰胺纺丝液纺丝，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15KV，推注速度为0.14mm/min，温度为30℃，相对湿度为30%，纺丝时间为35min，得到绝缘层聚酰胺纤维膜。
(3)将步骤(2)制备的复合纤维膜材料在室温下干燥4h，然后在50℃下真空干燥4h，得到所述高低介电聚合物复合驻极体过滤材料。
本实施例所制得高低介电聚合物复合驻极体过滤材料的绝缘过滤层的克重为3.5g/m2，孔隙率92.09%，纤维直径为2-5μm，主过滤层的克重为1.87g/m2，孔隙率98.89%，纤维直径为100-300nm。
本实施例所制得高低介电聚合物复合驻极体过滤材料初始表面电势为1.64KV，膜过滤效率为98.33%，压降为40Pa。三天后表面电势为1.22KV，膜过滤效率为97.22%，压降约为40Pa。说明绝缘层能够有效阻止主过滤层的电荷耗散，从而保持滤材整体长期稳定的过滤效率。

Claims (10)

1.一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料，其特征在于，该高低介电聚合物复合驻极体过滤材料由主过滤层和包覆在主过滤层上、下表面的绝缘过滤层组成，其中主过滤层为高介电常数聚合物经过静电纺丝而成的微米纤维膜，绝缘过滤层为低介电损耗聚合物及有机驻极纳米颗粒经过静电纺丝而成的纳米纤维膜。
2.根据权利要求1所述的一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料，其特征在于，所述有机驻极纳米颗粒为聚四氟乙烯和聚三氟氯乙烯中的一种或几种，粒径为50-150nm。
3.根据权利要求1所述的一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料，其特征在于，所述低介电损耗聚合物为聚苯乙烯、聚酰胺、聚醚酰亚胺中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料，其特征在于，所述高介电常数聚合物为聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料，其特征在于，所述绝缘过滤层的克重为1-5g/m2，孔隙率≥60%，纤维直径为1-5μm，主过滤层的克重为1-5g/m2，孔隙率≥80%，纤维直径为60-300nm。
6.制备权利要求1-5任一项所述的一种高低介电聚合物复合驻极体过滤材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配制两种纺丝液：将有机驻极纳米颗粒加入到溶剂当中，超声震荡直至有机驻极纳米颗粒分散均匀，再加入低介电损耗聚合物，恒温搅拌直至溶质溶解均匀，得到1号聚合物纺丝液；将高介电常数聚合物加入到溶剂中，恒温搅拌直至溶质溶解均匀，得到2号聚合物纺丝液；
（2）静电纺丝：首先将1号聚合物纺丝液通过静电纺丝工艺制备为微米纤维膜得到绝缘过滤层，然后将2号聚合物纺丝液通过静电纺丝工艺制备为纳米纤维膜，并纺在绝缘过滤层表面得到主过滤层，最后将1号聚合物纺丝液通过静电纺丝工艺制备成微米纤维膜，并纺在主过滤层上，得复合纤维膜材料；
（3）将步骤（2）制备的复合纤维膜材料干燥，得到所述高低介电聚合物复合驻极体过滤材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述有机驻极纳米颗粒在1号聚合物纺丝液中的浓度为0.001-5wt.%；所述低介电损耗聚合物在1号聚合物纺丝液中的浓度为10-25wt.%；所述高介电常数聚合物在2号聚合物纺丝液中的浓度为5-20wt.%。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述溶剂为N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二氯甲烷中的一种或几种。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，设定静电纺丝的电压为10-18KV,接收距离为10-20cm，注射速度为0.05-0.25mm/min，温度为0-40℃，相对湿度为20-80%。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述干燥是先在室温下干燥4-6小时，然后在40-60℃下真空干燥4-6小时。
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