CN109806773A - 一种孔隙可控的颗粒物复合过滤膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及过滤膜技术领域，特别涉及一种孔隙可控的颗粒物复合过滤膜及其制备方法。一种孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，其包括纳米纤维膜，沿纳米纤维膜边缘正、反两面粘结有施加电压后驱动纳米纤维膜孔隙大小发生变化的电致伸缩薄膜器件，以及设于电致伸缩薄膜器件边缘的用于对电致伸缩薄膜器件的驱动方向进行导向的固定件。一种制备孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的方法，包括以下步骤：（1）、纳米纤维膜的制备（2）、制备电致伸缩薄膜器件（3）、粘结电致伸缩薄膜器件（4）、复合过滤膜预拉伸（5）、施加电压。本发明可根据实际需要通过调节电压大小来实现过滤膜孔径大小的任意调节，进行控制过滤膜的通量，结构简单，使用方便。

Description

一种孔隙可控的颗粒物复合过滤膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及过滤膜技术领域，特别涉及一种孔隙可控的颗粒物复合过滤膜及其制备方法。

背景技术

随着我国工业技术的高速发展，材料、冶金、化工、电力等重工业领域产生大量烟气、粉尘，形成大量悬浮于空气中的微小颗粒物，是空气污染的主要来源，除严重影响人们的生活质量外，还会影响动植物生长以及对气象气候产生危害。研究开发一种可过滤空气中粉尘的过滤膜极为需要。

过滤膜的过滤原理是对经过滤膜面上孔隙的粉尘颗粒大小进行机械性的筛选。传统的过滤膜上的孔隙大小固定，不能根据实际大气中粉尘颗粒大小进行调节，因此传统同一过滤膜的使用范围比较单一，不能灵活使用，使用率低。虽然，静电纺丝制备的纳米纤维具有纤维直径小、孔径小、孔隙率高、比表面积大等优点，将其与非织造过滤材料基材复合制备的复合过滤材料具有较好的过滤效率，其中非织造过滤材料基材主要过滤粒径较大的颗粒物，静电纺丝纤维层主要过滤粒径较小颗粒物，此类复合过滤材料在空气过滤领域具有巨大的应用价值和前景，但是这两种薄膜只能对某一粒径范围的粉尘、颗粒进行机械性的筛选，存在过滤效率偏低、使用率低的技术问题。

专利CN 106000105 A,公开了一种孔径可调控高通量纳米纤维复合超滤膜的制备方法，该超滤膜是以无纺布为支撑层、高分子聚合物纳米纤维层为基底层、天然纤维素纳米纤维为凝胶层复合而成的孔径可调控高通量纳米纤维复合超滤膜，该超滤膜的制备步骤为：（a）以无纺布为支撑层，其上通过静电纺丝法得到由高分子聚合物纳米纤维膜层与无纺布层组成的双层复合纳米纤维膜；（b）将聚丙烯酸PAA溶液和助凝剂混合并搅拌均匀，配制成水溶液，用此水溶液把步骤（a）静电纺丝聚合物纳米纤维膜充分浸润；（c）将聚乙烯醇PVA溶液和天然纤维素纳米纤维溶液混合并搅拌均匀，制得天然纤维素纳米纤维涂覆液，采用匀胶涂覆法，将其涂覆到步骤（b）处理后的静电纺丝聚合物纳米纤维膜上并充分凝胶，得到表面为天然纤维素纳米纤维凝胶层的复合纳米纤维膜；（d）将步骤（c）得到的复合纳米纤维膜进行烘烤，使聚丙烯酸PAA和聚乙烯醇PVA充分交联的同时天然纤维素纳米纤维凝胶层也得到烘干，最终得到的过滤膜为孔径可调控的复合超滤膜。

上述技术方案结合静电纺丝技术和匀胶涂覆法，采用热交联聚丙烯酸/聚乙烯醇增加膜的强度，并通过调节纤维素纳米纤维的涂覆量和烘烤条件，可以根据实际应用需要制得不同孔径的纳米纤维复合超滤膜，但是，该技术方案是通过改变涂覆液的涂覆量实现膜孔径可调控，而不能实现孔径大小的连续控制，既而不能实现同一过滤膜对于不同粒径的大气颗粒物过滤，过滤效率低，同一过滤膜的使用范围较为单一。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，使用方便，可根据实际需要通过调节电压大小来实现过滤膜孔隙大小的任意调控，过滤率高的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜及其制备方法。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，所述的复合过滤膜包括纳米纤维原料经静电纺丝技术制备的纳米纤维膜，沿纳米纤维膜边缘正、反两面粘结有施加电压后驱动纳米纤维膜孔隙大小发生变化的电致伸缩薄膜器件，以及设置于电致伸缩薄膜器件边缘的用于对电致伸缩薄膜器件的驱动方向进行导向的固定件，所述电致伸缩薄膜器件包括用液态电致伸缩材料与高介电性粒子混合制备的电致伸缩薄膜以及在电致伸缩薄膜正、反两面涂覆有的柔性电极材料。

上述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，还包括当采用的纳米纤维原料成分含有氨基时设置于纳米纤维膜与电致伸缩薄膜器件之间的用于粘结纳米纤维膜与电致伸缩薄膜器件的过渡层，所述的过渡层包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

上述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，所述纳米纤维包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚丙烯腈。

上述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，所述的电致伸缩材料包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

上述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，所述柔性电极材料为导电石墨硅脂、碳纳米管或纳米银的一种。

上述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，所述的高介电性粒子包括钛酸钡、二氧化碳、锆钛酸铅压电陶瓷、多壁碳纳米管、单壁碳纳米管。

上述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，所述固定件为固定环。

一种制备孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的方法，包括以下步骤：

（1）、纳米纤维膜的制备：首先，将纳米纤维通过采用静电纺丝技术制备出纳米纤维膜，备用；

（2）、制备电致伸缩薄膜器件：先将室温硫化液体电致伸缩材料与高介电性粒子混合均匀后，制备出电致伸缩薄膜；然后将柔性电极材料和液态硅橡胶混合并搅拌均匀，制备柔性电极混合溶液，再将制备的柔性电极混合溶液均匀涂覆在电致伸缩薄膜上表面和下表面，待柔性电极混合溶液胶凝后，形成电致伸缩薄膜器件；

（3）、粘结电致伸缩薄膜器件：将步骤（2）中制备的电致伸缩薄膜器件粘结至步骤（1）中制备的纳米纤维膜边缘正、反两面，形成复合过滤膜；

（4）、复合过滤膜预拉伸：将步骤（3）制备的复合过滤膜进行预拉伸处理，预拉伸完成后用固定件沿纳米纤维膜边缘进行固定；

（5）、施加电压：对步骤（4）拉伸后复合过滤膜上粘结的电致伸缩薄膜器件施加电压，施加电压后，电致伸缩薄膜器件因固定件的阻挡而只能向纳米纤维膜中心方向扩张挤压纳米纤维膜的孔隙，使得拉伸后的纳米纤维膜的孔隙变小。

上述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的制备方法，还包括当采用的纳米纤维原料成分中含有氨基时，先在步骤（1）中制备的纳米纤维膜边缘正、反两面涂覆过渡层。

上述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的制备方法，所述的步骤（2）中电致伸缩薄膜的制备方法包括喷涂、刮刀涂膜、模压，所述的柔性电极混合溶液涂覆的厚度为5-30μm。

本发明孔隙可控的颗粒物复合过滤膜及其制备方法的有益效果是：通过在纳米纤维膜上设置有电致伸缩薄膜器件，同时将纳米纤维膜拉伸后用固定件将纳米纤维膜边缘进行固定，使得拉伸后的孔隙变大并固定，然后电致伸缩薄膜器件施加电压，电致伸缩薄膜器件向纳米纤维膜中心方向扩张，挤压纳米纤维膜，使得纳米纤维膜上的孔隙变小，通过调节电压的大小，来实现调节纳米纤维膜上孔隙大小，既而实现根据实际应用需要调节过滤膜的通量，使用非常方便。本发明结构简单，使用方便，可根据实际需要通过调节电压大小来实现过滤膜孔隙大小的任意调控，过滤率高，值得广泛推广应用。

附图说明

图1为纳米纤维涂覆过渡层结构示意图；

图2为过渡层上粘结电致伸缩薄膜器件结构示意图；

图3为复合过滤膜结构示意图；

图4为复合过滤膜使用状态图；

图5为复合过滤膜施加电压后状态图；

图6为孔隙与电场强度关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、2、3、4、5、6所示，一种孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，复合过滤膜包括纳米纤维原料经静电纺丝技术制备的纳米纤维膜1，沿纳米纤维膜1边缘正、反两面粘结有施加电压后驱动纳米纤维膜孔隙大小发生变化的电致伸缩薄膜器件2，以及设置于电致伸缩薄膜器件2边缘的用于对电致伸缩薄膜器件2的驱动方向进行导向的固定件3，固定件3为固定环，电致伸缩薄膜器件2包括用液态电致伸缩材料与高介电性粒子混合制备的电致伸缩薄膜以及在电致伸缩薄膜正、反两面涂覆有的柔性电极材料。

复合过滤膜还包括时设置于纳米纤维膜1与电致伸缩薄膜器件2之间的用于粘结纳米纤维膜1与电致伸缩薄膜器件2的过渡层4，过渡层包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。当采用的纳米纤维原料成分中含有氨基时，需要通过过渡层来实现纳米纤维膜1与电致伸缩薄膜器件2之间的粘结，以防电致伸缩薄膜器件2中的液态硅橡胶不凝固。

柔性电极材料为导电石墨硅脂、碳纳米管或纳米银的一种；纳米纤维包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚丙烯腈；电致伸缩材料包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶；高介电性粒子包括钛酸钡、二氧化碳、锆钛酸铅压电陶瓷、多壁碳纳米管、单壁碳纳米管。

一种制备孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的方法，包括以下步骤：

（1）、纳米纤维膜的制备：首先，将纳米纤维通过采用静电纺丝技术制备出纳米纤维膜，将纳米纤维膜裁切成圆形，备用；

（2）、制备电致伸缩薄膜器件：先将室温硫化液体电致伸缩材料与高介电性粒子混合均匀后，制备出电致伸缩薄膜，可采用喷涂、刮刀涂膜或模压的方法制备（均为现有技术）电致伸缩薄膜；然后将柔性电极材料和液态硅橡胶混合并搅拌均匀，制备柔性电极混合溶液，再将制备的柔性电极混合溶液均匀涂覆在电致伸缩薄膜上表面和下表面，待柔性电极混合溶液胶凝后，形成电致伸缩薄膜器件，柔性电极混合溶液涂覆的厚度为5-30μm；

（3）、粘结电致伸缩薄膜器件：将步骤（2）中制备的电致伸缩薄膜器件裁切成圆环状粘结至步骤（1）中制备的纳米纤维膜边缘正、反两面，形成复合过滤膜；

（4）、复合过滤膜预拉伸：将步骤（3）制备的复合过滤膜进行预拉伸处理，预拉伸完成后用固定件沿纳米纤维膜边缘进行固定；

（5）、施加电压：对步骤（4）拉伸后复合过滤膜上粘结的电致伸缩薄膜器件施加电压，施加电压后，电致伸缩薄膜器件因固定件的阻挡而只能向纳米纤维膜中心方向扩张挤压纳米纤维膜的孔隙，使得拉伸后的纳米纤维膜的孔隙变小。

除上述步骤外还包括当采用的纳米纤维原料成分中含有氨基时，先在步骤（1）中制备的纳米纤维膜边缘正、反两面涂覆过渡层的步骤，具体是过渡层呈圆环状粘结于纳米纤维膜边缘，以实现纳米纤维膜1与电致伸缩薄膜器件2的粘结。

实施例1：

一种制备孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的方法，包括以下步骤：

（1）、纳米纤维膜的制备：首先，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纳米纤维通过采用静电纺丝技术制备出苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纳米纤维膜，将纳米纤维膜裁切成圆形，备用；

（2）、制备电致伸缩薄膜器件：先将室温硫化液体乙烯-醋酸乙烯酯共聚物与钛酸钡混合均匀后，采用喷涂技术制备出乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜；然后将导电石墨硅脂和液态硅橡胶混合并搅拌均匀，制备柔性电极混合溶液，再将制备的柔性电极混合溶液均匀涂覆在乙烯-醋酸乙烯酯共聚物薄膜上表面和下表面，待柔性电极混合溶液胶凝后，形成电致伸缩薄膜器件，柔性电极混合溶液涂覆的厚度为5μm；

（3）、粘结电致伸缩薄膜器件：将步骤（2）中制备的电致伸缩薄膜器件裁切成圆环状粘结至步骤（1）中制备的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纳米纤维膜边缘正、反两面，形成复合过滤膜；

（4）、复合过滤膜预拉伸：将步骤（3）制备的复合过滤膜进行预拉伸处理，预拉伸完成后用固定件沿苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纳米纤维膜边缘进行固定；

（5）、施加电压：对步骤（4）拉伸后复合过滤膜上粘结的电致伸缩薄膜器件施加电压，施加电压后，电致伸缩薄膜器件因固定件的阻挡而只能向苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纳米纤维膜中心方向扩张挤压苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纳米纤维膜的孔隙，使得拉伸后的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物纳米纤维膜的孔隙变小。

实施例2：

一种制备孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的方法，包括以下步骤：

（1）、纳米纤维膜的制备：首先，将乙烯-醋酸乙烯酯共聚物纳米纤维通过采用静电纺丝技术制备出乙烯-醋酸乙烯酯共聚物纳米纤维膜，将纳米纤维膜裁切成圆形，备用；

（2）、制备电致伸缩薄膜器件：先将室温硫化液体苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物与锆钛酸铅压电陶瓷混合均匀后，采用刮刀涂膜技术制备苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物薄膜；然后将碳纳米管和液态硅橡胶混合并搅拌均匀，制备柔性电极混合溶液，再将制备的柔性电极混合溶液均匀涂覆在苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物上表面和下表面，待柔性电极混合溶液胶凝后，形成电致伸缩薄膜器件，柔性电极混合溶液涂覆的厚度为17μm；

（3）、粘结电致伸缩薄膜器件：将步骤（2）中制备的电致伸缩薄膜器件裁切成圆环状粘结至步骤（1）中制备的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物纳米纤维膜边缘正、反两面，形成复合过滤膜；

（4）、复合过滤膜预拉伸：将步骤（3）制备的复合过滤膜进行预拉伸处理，预拉伸完成后用固定件沿乙烯-醋酸乙烯酯共聚物纳米纤维膜边缘进行固定；

（5）、施加电压：对步骤（4）拉伸后复合过滤膜上粘结的电致伸缩薄膜器件施加电压，施加电压后，电致伸缩薄膜器件因固定件的阻挡而只能向乙烯-醋酸乙烯酯共聚物纳米纤维膜中心方向扩张挤压乙烯-醋酸乙烯酯共聚物纳米纤维膜的孔隙，使得拉伸后的乙烯-醋酸乙烯酯共聚物纳米纤维膜的孔隙变小。

实施例3：

一种制备孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的方法，包括以下步骤：

（1）、纳米纤维膜的制备：首先，将聚丙烯腈纳米纤维通过采用静电纺丝技术制备出聚丙烯腈纳米纤维膜，将纳米纤维膜裁切成圆形，备用；

（2）、制备电致伸缩薄膜器件：先将室温硫化液体热塑性聚氨酯弹性体橡胶与多壁碳纳米管混合均匀后，制备出热塑性聚氨酯弹性体橡胶薄膜，采用模压技术制备热塑性聚氨酯弹性体橡胶薄膜；然后将纳米银和液态硅橡胶混合并搅拌均匀，制备柔性电极混合溶液，再将制备的柔性电极混合溶液均匀涂覆在热塑性聚氨酯弹性体橡胶薄膜上表面和下表面，待柔性电极混合溶液胶凝后，形成电致伸缩薄膜器件，柔性电极混合溶液涂覆的厚度为30μm；

（3）、粘结电致伸缩薄膜器件：将步骤（2）中制备的电致伸缩薄膜器件裁切成圆环状粘结至步骤（1）中制备的纳米纤维膜边缘正、反两面，形成复合过滤膜；

（4）、复合过滤膜预拉伸：将步骤（3）制备的复合过滤膜进行预拉伸处理，预拉伸完成后用固定件沿聚丙烯腈纳米纤维膜边缘进行固定；

（5）、施加电压：对步骤（4）拉伸后复合过滤膜上粘结的电致伸缩薄膜器件施加电压，施加电压后，电致伸缩薄膜器件因固定件的阻挡而只能向聚丙烯腈纳米纤维膜中心方向扩张挤压聚丙烯腈纳米纤维膜的孔隙，使得拉伸后的聚丙烯腈纳米纤维膜的孔隙变小。

本发明中复合过滤膜的使用方法：在复合过滤膜上粘结的电致伸缩薄膜器件上施加电压后，电致伸缩薄膜器件因固定件的阻挡而只能向纳米纤维膜中心方向扩张挤压纳米纤维膜，从而使得纳米纤维膜的孔隙变小。

通电后，孔隙大小与电场强度大小改变情况如下：

中心过滤膜拉伸率计算公式：λ=（D2-D1）/D1；

通电后孔隙孔径大小：φ=λ*φ1

电场强度：E=U/d；

预设孔隙孔径：φ1；

施加的电压：U；

未施加电压中心过滤膜直径：D1；

施加电压后中心过滤膜直径：D2；

电致伸缩薄膜器件宽度和中心过滤膜直径：D；

中心过滤膜直径：D3；

电致伸缩薄膜器件的厚度：d；

其中，D和D2可通过摄像头等监控技术得到，实际使用时，先通过变压器控制不同的电压，每设定一个电压值对应一个通电后孔隙孔径数值。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，其特征在于：所述的复合过滤膜包括纳米纤维原料经静电纺丝技术制备的纳米纤维膜，沿纳米纤维膜边缘正、反两面粘结有施加电压后可驱动纳米纤维膜孔隙大小发生变化的电致伸缩薄膜器件，以及设置于电致伸缩薄膜器件边缘的用于对电致伸缩薄膜器件的驱动方向进行导向的固定件，所述电致伸缩薄膜器件包括用液态电致伸缩材料与高介电性粒子混合制备的电致伸缩薄膜以及在电致伸缩薄膜正、反两面涂覆有的柔性电极材料。

2.根据权利要求1所述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，其特征是：还包括当采用的纳米纤维原料成分含有氨基时设置于纳米纤维膜与电致伸缩薄膜器件之间的用于粘结纳米纤维膜与电致伸缩薄膜器件的过渡层，所述的过渡层包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

3.根据权利要求1所述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，其特征是：所述纳米纤维包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚丙烯腈。

4.根据权利要求1所述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，其特征是：所述的电致伸缩材料包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

5.根据权利要求1所述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，其特征是：所述柔性电极材料为导电石墨硅脂、碳纳米管或纳米银的一种。

6.根据权利要求1所述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，其特征是：所述的高介电性粒子包括钛酸钡、二氧化碳、锆钛酸铅压电陶瓷、多壁碳纳米管、单壁碳纳米管。

7.根据权利要求1所述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜，其特征是：所述固定件为固定环。

8.一种制备上述权利要求1-7任一项所述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、纳米纤维膜的制备：首先，将纳米纤维通过采用静电纺丝技术制备出纳米纤维膜，备用；

（2）、制备电致伸缩薄膜器件：先将室温硫化液体电致伸缩材料与高介电性粒子混合均匀后，制备出电致伸缩薄膜；然后将柔性电极材料和液态硅橡胶混合并搅拌均匀，制备柔性电极混合溶液，再将制备的柔性电极混合溶液均匀涂覆在电致伸缩薄膜上表面和下表面，待柔性电极混合溶液胶凝后，形成电致伸缩薄膜器件；

（3）、粘结电致伸缩薄膜器件：将步骤（2）中制备的电致伸缩薄膜器件粘结至步骤（1）中制备的纳米纤维膜边缘正、反两面，形成复合过滤膜；

（4）、复合过滤膜预拉伸：将步骤（3）制备的复合过滤膜进行预拉伸处理，预拉伸完成后用固定件沿纳米纤维膜边缘进行固定；

（5）、施加电压：对步骤（4）拉伸后复合过滤膜上粘结的电致伸缩薄膜器件施加电压，施加电压后，电致伸缩薄膜器件因固定件的阻挡而只能向纳米纤维膜中心方向扩张挤压纳米纤维膜的孔隙，使得拉伸后的纳米纤维膜的孔隙变小。

9.根据权利要求8所述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的制备方法，其特征是：还包括当采用的纳米纤维原料成分中含有氨基时，先在步骤（1）中制备的纳米纤维膜边缘正、反两面涂覆过渡层。

10.根据权利要求8所述的孔隙可控的颗粒物复合过滤膜的制备方法，其特征是：所述的步骤（2）中电致伸缩薄膜的制备方法包括喷涂、刮刀涂膜、模压，所述的柔性电极混合溶液涂覆的厚度为5-30μm。