CN109339681B - 一种pvdf/go复合纳米纤维防雾霾窗纱及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空气过滤领域，特别是指一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱及其制备方法。以DMF为溶剂，将PVDF与GO共混制备纺丝溶液，通过静电纺丝的方法，将PVDF/GO纳米纤维纺制到镀银的高目数的锦纶无纺布上，而后与低目数的玻璃纤维无纺布经过超声波粘合工艺，获得防雾霾纱窗所用材料。该复合材料具有高达85%的过滤效果，不仅过滤性能优良，流阻低，透气性好而且透光性好。通过静电纺丝制备PVDF/GO超细纳米纤维平均直径在150 nm左右，强度高、过滤效果好，容易与锦纶无纺布贴服。制作材料的整个流程简单，操作方便，可批量化生产。这将给解决过滤雾霾问题带来一种新的途径。

Description

一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱及其制备方法
技术领域
本发明涉及空气过滤领域，特别是指一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱及其制备方法。
背景技术
近年来，我国很多地区遭遇到多次大范围持续雾霾天气，部分地区空气污染达到了异常严重的程度，PM2.5污染问题逐渐被人们所重视。由于我国的国土面积大，人口众多，造成雾霾严重的原因也非常复杂。在短期内，我国的 PM2.5问题还很难得到根本性扭转，对于人体健康的保护就显得非常重要。随着现代文明的发展，人类活动更多在室内环境下进行，通过进气过滤系统能够拦截进入室内环境的颗粒污染物，空气过滤技术是保护人体健康的有效手段。传统的窗纱是不具备过滤PM2.5功效的，而PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法可以有效的解决这一棘手的问题。
石墨烯是由碳原子紧密堆巧形成的单层蜂窝状晶格结构，具有优越的力学、热学、电学性能，自2004年发现以来，便引起了研究人员的广泛研究，作为石墨烯的衍生氧化物，氧化石墨烯（GO）具有较大的比表面积和丰富的官能团，有利于通过化学键合、氨键等相互作用与其他高分子复合，可控制备吸附性能优良的吸附剂，同时也便于对其进斤表面修俯选择性吸附特定重金属或是染料口。
随着静电纺丝技术的更新及发展，现已有百余种高聚物可借此制备成纳米纤维。其中，聚偏氟乙烯(PVDF)是静电纺丝工艺中最常用的聚合物原料之一。PVDF是由纯度≥99.99%的偏氟乙烯（VDF）均聚而成的，在静电纺丝工艺中，由于其制备的纳米纤维膜具有着强度高，拉伸性好以及良好的介电性，因而空气过滤方面有着较为广阔的应用潜力。
发明内容
本发明提出一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法，氧化石墨烯（GO）借助其大的比表面积，丰富的含氧官能团和快速的电子转移能为，可以有效的吸附PM2.5等微粒，而PVDF则有良好的介电性，将二者混纺得到的复合纳米纤维材料具有低流阻、高效率、长寿命、高集尘能力及节省能源等优点，不仅过滤性能优良，而且透光性、透气性好。纤维的平均直径在150 nm左右，纳米纤维无纺毡呈三维网状结构，孔径小，曲折连通孔结构，透气性好，可以有效过滤PM2.5、PM10以及灰尘、甲醛等微粒。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱，所述防雾霾窗纱由基底为镀银锦纶无纺布、芯层为PVDF/GO复合纳米纤维和上层为玻璃纤维无纺布复合而成，其中PVDF/GO复合纳米纤维通过静电纺丝法制备而成，PVDF/GO复合纳米纤维的孔隙率为0.20-0.85 cm3/g。
所述镀银锦纶无纺布为500-700目，PVDF/GO纳米纤维直径为100-200 nm，玻璃纤维无纺布为100-200目。
所述的PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法，步骤如下：
（1）将PVDF加入到盛有DMF的烧杯中，强力搅拌5-10h，配制成PVDF质量分数为10-20%的溶液；
（2）将GO加入盛有DMF的烧杯中，超声振荡10-20h，再经强力搅拌5-10h，配制成GO质量分数为1-5%的溶液；
（3）将步骤（1）、（2）所得到的混合在一起，在50-100℃条件下，经磁力搅拌8-20h，得静电纺丝液；
（4）将静电纺丝液加入静电纺丝设备内，在静电纺丝工作条件下：高压发生器的电压为0-80 kV，喷嘴到所述接收基布的距离为10-15 cm，基布为孔数500-700目的镀银锦纶无纺布，喷嘴口径为0.1-10 cm，喷出的静电纺丝液流量为0.5-3.0 mL/h，接收时间0.5-15min，得到PVDF/GO复合纳米纤维；
（5）将步骤（4）得到的PVDF/GO复合纳米纤维作为芯层与镀银锦纶无纺布和玻璃纤维无纺布超声波复合，得到PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱。
所述步骤（3）静电纺丝液中PVDF和GO的质量比为（10-100）：（1-5）。
所述步骤（4）中PVDF/GO复合纳米纤维的直径为100-200 nm，孔隙率为0.20-0.85cm3/g，面密度为1.25-5.0 g/m2。
与现有的普通窗纱相比，本发明具有以下优点：
（1）利用静电纺丝技术，制备的纳米纤维平均直径在150 nm左右，重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合，综合过滤性能好。
（2）将制备的PVDF/GO纳米纤维纺制在镀银的锦纶无纺布上与玻璃纤维无纺布通过超声波粘合，获得了过滤效率高、空气阻力小、透光性好、透气性好的静电纳米纤维防雾霾窗纱，普通窗纱不具备防雾霾功能，而PVDF/GO纳米纤维防雾霾窗纱由于芯层是纳米纤维所以其过滤效率可以达到85%以上，整个流程简单，操作方便，可批量化生产，防雾霾提供了便利的条件。
（3）本发明利用新型碳纳米材料制备空气过滤材料，GO作为新型碳纳米材料的一种，其表面含有大量的羟基、羧基等功能基团，送些功能基团作为活性位点能够与带空气中的微细颗粒发生静电吸引作用，PVDF是仅次于聚四氟乙烯的第二大氟材料，PVDF优良的成膜性能、较高的热稳定性和化学稳定性。且-C-F具有很强的吸电子能力，使得 PVDF的抗电化学氧化能力也较强。通过静电纺丝得到PVDF/GO复合纳米纤维空气过滤材料，将其与高目数的镀银锦纶和低目数的玻璃纤维通过超声波粘合，得到的过滤材料具有直径细、重量轻、渗透性好、比表面积大和孔隙率高等特点，利用其储存的电荷去吸附大气中的微尘等颗粒物，对粒径没有选择性，而且还具有过滤效率高、节能、抗菌等优点，在大气环境污染严重的情况下，可作为一种有效的空气过滤材料，潜在应用价值巨大。
附图说明
图1为本发明制备的PVDF/GO纳米纤维材料的场发射电镜图片。
图2为本发明为PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱实物图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法，步骤如下：
1）将称量好的DMF和PVDF倒入烧杯中，通过强力搅拌5 h配成PVDF的质量分数为10%的静电纺丝溶液。
2) 将称量好的DMF和GO倒入烧杯中，经过超声振荡10h,而后通过强力搅拌5h配成GO的质量分数为1%的静电纺丝溶液。
3）将步骤1）和2）所得溶液混在一起在磁力搅拌器上强力搅拌8 h，其中PVDF和GO的质量比为10：1，搅拌过程中加热，加热温度为50 ℃。
4）利用步骤3）所得溶液进行静电纺丝，静电纺丝设备主要由蓄液器，接收装置，一个落地接受器和一个高压动力发送装置组成。
5）步骤4）中静电纺丝装置工作时，高压发生器的电压为15 kV；喷嘴到所述接收基布的距离为10.0 cm；基布为孔数500目的镀银锦纶无纺布，喷嘴口径为0.1 cm；喷出的静电纺丝液流量为0.5 mL/h；接收时间3 min。
6） 由步骤5）得到的PVDF/GO纳米纤维的直径为100 nm，孔隙率为0.20 cm3/g，面密度为1.25 g/m2，作为防雾霾纱窗的芯层结构。
7）将步骤6）得到的粘附PVDF/GO纳米纤维的镀银锦纶无纺布与玻璃纤维无纺布超声波复合得到一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的材料。其中玻璃纤维无纺布的孔数为100目。
实施例2
本实施例的PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法，步骤如下：
1）将称量好的DMF和PVDF倒入烧杯中，通过强力搅拌6 h配成PVDF的质量分数为13%的静电纺丝溶液。
2) 将称量好的DMF和GO倒入烧杯中，经过超声振荡14 h，而后通过强力搅拌6 h配成GO的质量分数为2%的静电纺丝溶液。
3）将步骤1）和2）所得溶液混在一起在磁力搅拌器上强力搅拌10 h， PVDF和GO的质量比为10：5，搅拌过程中加热，加热温度为70 ℃。
4）利用步骤3）所得溶液进行静电纺丝，静电纺丝设备主要由蓄液器，接收装置，一个落地接受器和一个高压动力发送装置组成。
5）步骤4）中静电纺丝装置工作时，高压发生器的电压为0-80 kV；喷嘴到所述接收基布的距离为12.0 cm；基布为孔数600目的镀银锦纶无纺布，喷嘴口径为2.0 cm；喷出的静电纺丝液流量为1.5 mL/h；接收时间3.0 min。
6） 由步骤5）得到的PVDF/GO纳米纤维的直径为140 nm，孔隙率为0.30 cm3/g，面密度为1.25-5.0 g/m2，作为防雾霾纱窗的芯层结构。
7）将步骤6）得到的粘附PVDF/GO纳米纤维的镀银锦纶无纺布与玻璃纤维无纺布超声波复合得到一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的材料。其中玻璃纤维无纺布的孔数为140目。
实施例3
本实施例的PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法，步骤如下：
1）将称量好的DMF和PVDF倒入烧杯中，通过强力搅拌8h配成PVDF的质量分数为18%的静电纺丝溶液。
2) 将称量好的DMF和GO倒入烧杯中，而后通过强力搅拌8 h配成GO的质量分数为4%的静电纺丝溶液。
3）将步骤1）和2）所得溶液混在一起在磁力搅拌器上强力搅拌18h，PVDF和GO的质量比为100：1，搅拌过程中加热，加热温度为80 ℃。
4）利用步骤3）所得溶液进行静电纺丝，静电纺丝设备主要由蓄液器，接收装置，一个落地接受器和一个高压动力发送装置组成。
5）步骤4）中静电纺丝装置工作时，高压发生器的电压为22 kV；喷嘴到所述接收基布的距离为14 cm；基布为孔数500-700目的镀银锦纶无纺布，喷嘴口径为3.5 cm；喷出的静电纺丝液流量为2.0 mL/h；接收时间5.0 min。
6） 由步骤5）得到的PVDF/GO纳米纤维的直径为180 nm，孔隙率为0.65 cm3/g，面密度为3.25 g/m2，作为防雾霾纱窗的芯层结构。
7）将步骤6）得到的粘附PVDF/GO纳米纤维的镀银锦纶无纺布与玻璃纤维无纺布超声波复合得到一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的材料。其中玻璃纤维无纺布的孔数为180目。
实施例4
本实施例的PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法，步骤如下：
1）将称量好的DMF和PVDF倒入烧杯中，通过强力搅拌10 h配成PVDF的质量分数为20%的静电纺丝溶液。
2) 将称量好的DMF和GO倒入烧杯中经过超声振荡20 h，而后通过强力搅拌10 h配成GO的质量分数为5%的静电纺丝溶液。
3）将步骤1）和2）所得溶液混在一起在磁力搅拌器上强力搅拌20 h， PVDF和GO的质量比为100：5，搅拌过程中加热，加热温度为100 ℃。
4）利用步骤3）所得溶液进行静电纺丝，静电纺丝设备主要由蓄液器，接收装置，一个落地接受器和一个高压动力发送装置组成。
5）步骤4）中静电纺丝装置工作时，高压发生器的电压为30 kV；喷嘴到所述接收基布的距离为15 cm；基布为孔数500-700目的镀银锦纶无纺布，喷嘴口径为5 cm；喷出的静电纺丝液流量为3.0 mL/h；接收时间10.0 min。
6） 由步骤5）得到的PVDF/GO纳米纤维的直径为200 nm，孔隙率为0.85 cm3/g，面密度为4.0 g/m2，作为防雾霾纱窗的芯层结构。
7）将步骤6）得到的粘附PVDF/GO纳米纤维的镀银锦纶无纺布与玻璃纤维无纺布超声波复合得到一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的材料。其中玻璃纤维无纺布的孔数为200目。
实施例5
本实施例的PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法，步骤如下：
1）将称量好的DMF和PVDF倒入烧杯中，通过强力搅拌10 h配成PVDF的质量分数为10%的静电纺丝溶液。
2) 将称量好的DMF和GO倒入烧杯中经过超声振荡20 h，而后通过强力搅拌10 h配成GO的质量分数为5%的静电纺丝溶液。
3）将步骤1）和2）所得溶液混在一起在磁力搅拌器上强力搅拌20 h， PVDF和GO的质量比为100：3，搅拌过程中加热，加热温度为100 ℃。
4）利用步骤3）所得溶液进行静电纺丝，静电纺丝设备主要由蓄液器，接收装置，一个落地接受器和一个高压动力发送装置组成。
5）步骤4）中静电纺丝装置工作时，高压发生器的电压为30 kV；喷嘴到所述接收基布的距离为15 cm；基布为孔数700目的镀银锦纶无纺布，喷嘴口径为5 cm；喷出的静电纺丝液流量为3.0 mL/h；接收时间10.0 min。
6） 由步骤5）得到的PVDF/GO纳米纤维的直径为200 nm，孔隙率为0.85 cm3/g，面密度为4.0 g/m2，作为防雾霾纱窗的芯层结构。
7）将步骤6）得到的粘附PVDF/GO纳米纤维的镀银锦纶无纺布与玻璃纤维无纺布超声波复合得到一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的材料。其中玻璃纤维无纺布的孔数为200目。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）将PVDF加入到盛有DMF的烧杯中，强力搅拌5-10h，配制成PVDF质量分数为10-20%的溶液；
（2）将GO加入盛有DMF的烧杯中，超声振荡10-20h，再经强力搅拌5-10h，配制成GO质量分数为1-5%的溶液；
（3）将步骤（1）、（2）所得到的混合在一起，在50-100℃条件下，经磁力搅拌8-20h，得静电纺丝液；
（4）将静电纺丝液加入静电纺丝设备内，在静电纺丝工作条件下：高压发生器的电压为0-80 kV，喷嘴到接收基布的距离为10-15 cm，基布为孔数500-700目的镀银锦纶无纺布，喷嘴口径为0.1-10 cm，喷出的静电纺丝液流量为0.5-3.0 mL/h，接收时间0.5-15 min，得到PVDF/GO复合纳米纤维；
（5）将步骤（4）得到的PVDF/GO复合纳米纤维作为芯层与镀银锦纶无纺布和玻璃纤维无纺布超声波复合，得到PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱；
所述防雾霾窗纱由基底为镀银锦纶无纺布、芯层为PVDF/GO复合纳米纤维和上层为玻璃纤维无纺布复合而成，其中PVDF/GO复合纳米纤维通过静电纺丝法制备而成，PVDF/GO复合纳米纤维的孔隙率为0.20-0.85 cm3/g；
所述镀银锦纶无纺布为500-700目，PVDF/GO纳米纤维直径为100-200 nm，玻璃纤维无纺布为100-200目；
所述步骤（4）中PVDF/GO复合纳米纤维的直径为100-200 nm，孔隙率为0.20-0.85 cm3/g，面密度为1.25-5.0 g/m2。
2.如权利要求1所述的PVDF/GO复合纳米纤维防雾霾窗纱的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）静电纺丝液中PVDF和GO的质量比为（10-100）：（1-5）。
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