CN111085047A - 一种用于pm2.5颗粒过滤的可清洗型纳米纤维纱窗的制备方法 - Google Patents

一种用于pm2.5颗粒过滤的可清洗型纳米纤维纱窗的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于PM2.5颗粒过滤的可清洗型纳米纤维纱窗的制备方法。本发明所采用的纺丝体系为水性体系，其中，水性聚氨酯和聚乙烯醇所采用的溶剂均为去离子水，无需添加其他化学试剂，具有很好的绿色环保特性。本发明通过引入特定的固化剂，并结合热交联工艺使得纳米纤维层由水溶性转变成非水溶性，实现了复合纱窗的二次清洗及循环使用，此外，本发明也提高了纳米纤维层与基底层的结合强度，从而提高了复合纱窗的耐磨性。本发明可制备具有不同透光率和过滤性能的纱窗，在室内PM2.5过滤领域有重要的应用价值。

Description

一种用于PM2.5颗粒过滤的可清洗型纳米纤维纱窗的制备 方法
技术领域
本发明属于纱窗制备技术领域，具体涉及一种用于PM2.5颗粒过滤的可清洗型纳米纤维纱窗的制备方法。
背景技术
随着工业化进程的不断加快，环境污染也日趋严重，特别是空气污染问题尤为突出。空气中的污染物颗粒直径大约在0.001～100μm，由悬浮颗粒物、SO2、氮氧化物和细菌等多种成分构成。过滤是一种净化空气的有效方法，纤维过滤材料由于具有结构简单、成本低和过滤效率高等优点被广泛应用于空气净化装置。传统的非织造材料对于尺寸在微米级及以上的颗粒物具有良好的过滤效果，而对于亚微米级、纳米级的颗粒物的过滤性能则较差。
静电纺丝技术是一种能够直接且连续制备微纳米纤维的方法，所制备的纤维直径一般介于几纳米到几微米之间，由此得到的微纳米纤维膜具有高孔隙率，孔隙高度互通。通过对纺丝体系和纺丝参数的调控，可有效控制纤维膜的孔隙分布，从而使其具有很高的过滤效率。与传统纤维材料相比，静电纺纳米纤维具有纤维直径小、孔隙率高、孔径小、比表面积大等优点，因而在纤维滤材的制备以及空气过滤领域备受关注。
居家生活中，在通风条件下每户都安装窗纱以防止蚊虫进入。当前技术条件下，市售的防雾霾窗纱设计原理是通过控制窗纱的直径，将其孔径降至2.5μm以下，或铺设一层较厚的微米级过滤网实现过滤污染物的效果，但造成窗纱的通风性能急剧下降，使其失去了通风透气的基本功能。随着空气污染的加剧，迫切需要对传统窗纱进行升级改造，降低窗纱的有效孔径和涂层厚度，提升霾阻隔功能。王迎等于2018年在《纺织学报》上发表了一篇名为《沉积静电纺聚丙烯腈纳米纤维膜窗纱的制备及其性能》的文章，其工艺是在传统的玻璃纤维窗纱上利用静电纺丝方法沉积聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜，从而得到具有防PM2.5作用的纱窗。该纱窗具有一定的透光性，且对于PM2.5具有一定的过滤效果。然而，由于聚丙烯腈纳米纤维与玻璃纤维窗纱的结合强度差，导致该复合纱窗在清洗过程中纳米纤维层易剥离，从而使其无法有效过滤PM2.5，因而该复合纱窗无法进行清洗和反复使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种用于PM2.5颗粒过滤的可清洗型纳米纤维纱窗的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种用于PM2.5颗粒过滤的可清洗型纳米纤维纱窗的制备方法，包括如下步骤：
(1)室温下，将聚乙烯醇粉体溶解于去离子水中，搅拌2-4h，得到浓度为8-10wt％的聚乙烯醇水溶液；
(2)室温下，将水性聚氨酯分散体和上述聚乙烯醇水溶液以0.8-1.2∶0.8-1.2的质量比混合搅拌均匀；
(3)室温下，在步骤(2)所得的物料中加入3-5wt％的固化剂，混合搅拌均匀，获得纺丝溶液；
(4)将上述纺丝溶液加入到聚四氟乙烯纺丝槽中，采用无针式静电纺丝工艺进行纺丝，制得水溶性复合纳米纤维膜，该纺丝的工艺为：纺丝电极为金属圆柱电极或螺旋线圈电极，纺丝电压为70～80kV，接收距离为10～15cm；静电纺丝温度为室温，湿度为30～70％，纺丝时间为1～15min；
(5)将上述水溶性复合纳米纤维膜于75-85℃热交联8-11h，自然冷却至室温，即得所述可清洗型纳米纤维纱窗，其透光率为50～90％、过滤效率在50～95％、阻力压降在30～250Pa。
在本发明的一个优选实施方案中，所述聚乙烯醇粉体的型号为1788，醇解度为88％。
在本发明的一个优选实施方案中，所述水性聚氨酯分散体为PU-106水性聚氨酯分散体和/或PU-108水性聚氨酯分散体。
在本发明的一个优选实施方案中，所述固化剂为水乳化型的无溶剂聚异氰酸酯。
进一步优选的，所述固化剂的外观为透明液体，NCO％为20.8±0.5％，粘度为2500±300cpa.s，密度为约1.15g/cm3。
本发明的有益效果是：
1、本发明所采用的纺丝体系为水性体系，其中，水性聚氨酯和聚乙烯醇所采用的溶剂均为去离子水，无需添加其他化学试剂，具有很好的绿色环保特性。
2、本发明通过引入特定的固化剂，并结合热交联工艺使得纳米纤维层由水溶性转变成非水溶性，实现了复合纱窗的二次清洗及循环使用，此外，本发明也提高了纳米纤维层与基底层(尼龙纱窗)的结合强度，从而提高了复合纱窗的耐磨性。
3、本发明可制备具有不同透光率和过滤性能的纱窗，在室内PM2.5过滤领域有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1中尼龙纱窗(基底层)和复合纱窗的SEM图。
图2为本发明实施例1中尼龙纱窗(基底层)和复合纱窗过滤PM2.5后的SEM图。
图3为本发明实施例1中过滤前及过滤并清洗后的复合纱窗的实物图a)和SEM图b)。
图4为本发明实施例1复合纱窗的循环使用性能。
图5为本发明不同纺丝时间条件下制备的复合纱窗的实物图及其透光率。
图6为本发明不同纺丝时间条件下制备的复合纱窗的过滤性能测试。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)室温下，将聚乙烯醇粉体(型号为1788，醇解度为88％)溶解于去离子水中，搅拌3h，得到浓度为9wt％的聚乙烯醇水溶液；
(2)室温下，将市售PU-106水性聚氨酯分散体和上述聚乙烯醇水溶液以1∶1的质量比混合搅拌均匀；
(3)室温下，在步骤(2)所得的物料中加入4wt％的固化剂，电动搅拌30min，获得纺丝溶液；该固化剂为水乳化型的无溶剂聚异氰酸酯，外观为透明液体，NCO％为20.8±0.5％，粘度为2500±300cpa.s，密度为约1.15g/cm3；
(4)将上述纺丝溶液加入到聚四氟乙烯纺丝槽中，以尼龙纱网作为基底层，采用无针式静电纺丝工艺进行纺丝，在尼龙纱网表面制得纤维平均直径为130nm的水溶性纳米纤维膜，该纺丝的工艺为：纺丝电极为金属圆柱电极，纺丝电压为75kV，接收距离为12cm；静电纺丝温度为室温，湿度为40％，纺丝时间为5min；
(5)将上述水溶性复合纳米纤维膜置于鼓风干燥箱中，于80℃热交联10h，自然冷却至室温，即得所述可清洗型纳米纤维纱窗。
(6)本实施例中的尼龙纱网以及制备的复合纳米纤维膜的微观形貌如图1所示。尼龙纱网的纤维直径在200-300μm，孔径在约为500μm(见图1a)；图1b是复合纳米纤维膜的扫描电镜照片，可以看出，在尼龙纱网表面很好地附着了一层PVA/WPU纳米纤维层。采用这两种纱窗进行过滤，其过滤效果如图2所示。可以看出，传统的尼龙纱网无法有效过滤PM2.5颗粒，可复合纳米纤维膜则可有效过滤PM2.5。测试结果表明，本实施例制备的复合纳米纤维膜的透光率达到70％(见图5)，而过滤效率在95.50％，阻力压降在216.5Pa(见图6)。
图3为本实施例所述复合纳米纤维膜过滤前及过滤并清洗后的实物图(图3a)和SEM图(图3b)。清洗前后，复合纤维膜的过滤性能和透光性能均没有发生明显变化，其仍保持良好的过滤性能(见图4)，这表明纳米纤维膜具有可清洗特性。
实施例2
(1)室温下，将聚乙烯醇粉体(型号为1788，醇解度为88％)溶解于去离子水中，搅拌3h，得到浓度为9wt％的聚乙烯醇水溶液；
(2)室温下，将市售PU-106水性聚氨酯分散体和上述聚乙烯醇水溶液以1∶1的质量比混合搅拌均匀；
(3)室温下，在步骤(2)所得的物料中加入4wt％的固化剂，电动搅拌30min，获得纺丝溶液；该固化剂为水乳化型的无溶剂聚异氰酸酯，外观为透明液体，NCO％为20.8±0.5％，粘度为2500±300cpa.s，密度为约1.15g/cm3；
(4)将上述纺丝溶液加入到聚四氟乙烯纺丝槽中，以尼龙纱网作为基底层，采用无针式静电纺丝工艺进行纺丝，在尼龙纱网表面制得纤维平均直径为130nm的水溶性纳米纤维膜，该纺丝的工艺为：纺丝电极为金属圆柱电极，纺丝电压为75kV，接收距离为12cm；静电纺丝温度为室温，湿度为40％，纺丝时间为1min；
(5)将上述水溶性复合纳米纤维膜置于鼓风干燥箱中，于80℃热交联10h，自然冷却至室温，即得所述可清洗型纳米纤维纱窗。
测试结果表明，本实施例制备的复合纳米纤维膜的透光率达到88％(见图5)，而过滤效率在48.12％、阻力压降在32.5Pa(见图6)。
实施例3
(1)室温下，将聚乙烯醇粉体(型号为1788，醇解度为88％)溶解于去离子水中，搅拌3h，得到浓度为9wt％的聚乙烯醇水溶液；
(2)室温下，将市售PU-106水性聚氨酯分散体和上述聚乙烯醇水溶液以1∶1的质量比混合搅拌均匀；
(3)室温下，在步骤(2)所得的物料中加入4wt％的固化剂，电动搅拌30min，获得纺丝溶液；该固化剂为水乳化型的无溶剂聚异氰酸酯，外观为透明液体，NCO％为20.8±0.5％，粘度为2500±300cpa.s，密度为约1.15g/cm3；
(4)将上述纺丝溶液加入到聚四氟乙烯纺丝槽中，以尼龙纱网作为基底层，采用无针式静电纺丝工艺进行纺丝，在尼龙纱网表面制得纤维平均直径为130nm的水溶性纳米纤维膜，该纺丝的工艺为：纺丝电极为金属圆柱电极，纺丝电压为75kV，接收距离为12cm；静电纺丝温度为室温，湿度为40％，纺丝时间为2min；
(5)将上述水溶性复合纳米纤维膜置于鼓风干燥箱中，于80℃热交联10h，自然冷却至室温，即得所述可清洗型纳米纤维纱窗。
测试结果表明，本实施例制备的复合纳米纤维膜的透光率达到80％(见图5)，而过滤效率在56.21％、阻力压降在36.5Pa(见图6)。
实施例4
(1)室温下，将聚乙烯醇粉体(型号为1788，醇解度为88％)溶解于去离子水中，搅拌3h，得到浓度为9wt％的聚乙烯醇水溶液；
(2)室温下，将市售PU-106水性聚氨酯分散体和上述聚乙烯醇水溶液以1∶1的质量比混合搅拌均匀；
(3)室温下，在步骤(2)所得的物料中加入4wt％的固化剂，电动搅拌30min，获得纺丝溶液；该固化剂为水乳化型的无溶剂聚异氰酸酯，外观为透明液体，NCO％为20.8±0.5％，粘度为2500±300cpa.s，密度为约1.15g/cm3；
(4)将上述纺丝溶液加入到聚四氟乙烯纺丝槽中，以尼龙纱网作为基底层，采用无针式静电纺丝工艺进行纺丝，在尼龙纱网表面制得纤维平均直径为130nm的水溶性纳米纤维膜，该纺丝的工艺为：纺丝电极为金属圆柱电极，纺丝电压为75kV，接收距离为12cm；静电纺丝温度为室温，湿度为40％，纺丝时间为8min；
(5)将上述水溶性复合纳米纤维膜置于鼓风干燥箱中，于80℃热交联10h，自然冷却至室温，即得所述可清洗型纳米纤维纱窗。
测试结果表明，本实施例制备的复合纳米纤维膜的透光率达到55％(见图5)，而过滤效率在99.91％、阻力压降在485Pa(见图6)。
实施例5
(1)室温下，将聚乙烯醇粉体(型号为1788，醇解度为88％)溶解于去离子水中，搅拌3h，得到浓度为9wt％的聚乙烯醇水溶液；
(2)室温下，将市售PU-108水性聚氨酯分散体和上述聚乙烯醇水溶液以1∶1的质量比混合搅拌均匀；
(3)室温下，在步骤(2)所得的物料中加入4wt％的固化剂，电动搅拌30min，获得纺丝溶液；该固化剂为水乳化型的无溶剂聚异氰酸酯，外观为透明液体，NCO％为20.8±0.5％，粘度为2500±300cpa.s，密度为约1.15g/cm3；
(4)将上述纺丝溶液加入到聚四氟乙烯纺丝槽中，以尼龙纱网作为基底层，采用无针式静电纺丝工艺进行纺丝，在尼龙纱网表面制得纤维平均直径为150nm的水溶性复合纳米纤维膜，该纺丝的工艺为：纺丝电极为金属圆柱电极，纺丝电压为75kV，接收距离为12cm；静电纺丝温度为室温，湿度为40％，纺丝时间为2min
(5)将上述水溶性复合纳米纤维膜置于鼓风干燥箱中，于80℃热交联10h，自然冷却至室温，即得所述可清洗型纳米纤维纱窗。
测试结果表明，本实施例制备的复合纳米纤维膜的透光率达到75％，而过滤效率在30.54％、阻力压降在32.0Pa(见图6)。
实施例6
(1)室温下，将聚乙烯醇粉体(型号为1788，醇解度为88％)溶解于去离子水中，搅拌3h，得到浓度为10wt％的聚乙烯醇水溶液；
(2)室温下，将市售PU-108水性聚氨酯分散体和上述聚乙烯醇水溶液以1∶2的质量比混合搅拌均匀；
(3)室温下，在步骤(2)所得的物料中加入4wt％的固化剂，电动搅拌30min，获得纺丝溶液；该固化剂为水乳化型的无溶剂聚异氰酸酯，外观为透明液体，NCO％为20.8±0.5％，粘度为2500±300cpa.s，密度为约1.15g/cm3；
(4)将上述纺丝溶液加入到聚四氟乙烯纺丝槽中，采用无针式静电纺丝工艺进行纺丝，制得纤维平均直径为190nm的水溶性复合纳米纤维膜，该纺丝的工艺为：纺丝电极为金属圆柱电极，纺丝电压为80kV，接收距离为11cm；静电纺丝温度为室温，湿度为40％，纺丝时间为5min；
(5)将上述水溶性复合纳米纤维膜置于鼓风干燥箱中，于80℃热交联8h，自然冷却至室温，即得所述可清洗型纳米纤维纱窗。
测试结果表明，本实施例制备的复合纳米纤维膜的透光率达到60％，而过滤效率在60.21％、阻力压降在85.0Pa(见图6)。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种用于PM2.5颗粒过滤的可清洗型纳米纤维纱窗的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)室温下，将聚乙烯醇粉体溶解于去离子水中，搅拌2-4h，得到浓度为8-10wt％的聚乙烯醇水溶液；
(2)室温下，将水性聚氨酯分散体和上述聚乙烯醇水溶液以0.8-1.2∶0.8-1.2的质量比混合搅拌均匀；
(3)室温下，在步骤(2)所得的物料中加入3-5wt％的固化剂，混合搅拌均匀，获得纺丝溶液；
(4)将上述纺丝溶液加入到聚四氟乙烯纺丝槽中，采用无针式静电纺丝工艺进行纺丝，制得水溶性复合纳米纤维膜，该纺丝的工艺为：纺丝电极为金属圆柱电极或螺旋线圈电极，纺丝电压为70～80kV，接收距离为10～15cm；静电纺丝温度为室温，湿度为30～70％，纺丝时间为1～15min；
(5)将上述水溶性复合纳米纤维膜于75-85℃热交联8-11h，自然冷却至室温，即得所述可清洗型纳米纤维纱窗，其透光率为50～90％、过滤效率在50～95％、阻力压降在30～250Pa。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯醇粉体的型号为1788，醇解度为88％。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述水性聚氨酯分散体为PU-106水性聚氨酯分散体和/或PU-108水性聚氨酯分散体。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述固化剂为水乳化型的无溶剂聚异氰酸酯。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述固化剂的外观为透明液体，NCO％为20.8±0.5％，粘度为2500±300cpa.s，密度为约1.15g/cm3。
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