CN111364163B - 串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，包括如下步骤：提供浓度为5wt％～10wt％的聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液；以及在温度恒定、相对湿度恒定的条件下，采用所述静电纺丝液在支撑层上进行静电纺丝，从而得到串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯，其中，推注速度为10‑30μL/min，纺丝直径为50nm～1000nm，所述温度为15℃～25℃，所述相对湿度为25％～55％。结合具体实施例部分，这种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法制得串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯中可以形成串珠结构，从而使得串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯具有更高的颗粒物过滤效率和更低的过滤阻力，从而具有更好的过滤效果。此外，本发明还公开了一种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯及其应用。

Description

串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及空气净化领域，尤其涉及一种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法、上述方法制得的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯及其应用。
背景技术
随着工业化和城市化进程的加快，空气污染问题成为目前发展中国家及发达国家面临的最严重的环境问题之一。许多流行病学和毒理学研究表明，空气质量的恶化严重危害人体健康。超细颗粒物(Ultrafine particulatematter,PM)是导致空气质量恶化的主要环境问题之一，也是雾霾的主要成因。这些细小颗粒物通常具有很大的比表面积，可携带多种污染物、细菌、致病菌等，可在人体内长期停留。超细颗粒物容易通过呼吸进入人体呼吸系统并溶解在血液中，最终导致心血管和呼吸系统疾病。因此，迫切需要有效的技术来解决PM对人体健康造成的威胁。传统的PM去除方法包括袋式过滤、重力沉降、离心分离、静电吸附和纤维过滤等。对比传统PM去除方式，纳米纤维过滤滤芯具有高效、经济等优势。
纳米纤维过滤滤芯的性能通常通过颗粒物去除效率和压降来评估，分别根据过滤滤芯上、下游的颗粒浓度和压差计算得到。一个好的纳米纤维过滤滤芯需要具备高的颗粒物去除效率和低的压降两个特征。通常提高过滤效率的有效方法是提高过滤滤芯厚度和纤维密度，但该途径会导致纤维过滤滤芯压降的升高，使其透气性显著降低。因此，如何在不牺牲纳米纤维过滤滤芯透气性的前提下，提高其颗粒物去除效率是解决该瓶颈的关键。
纳米纤维过滤滤芯的过滤效率及压降主要取决于纳米纤维材料的内在化学性质和物理结构，因此选择合适的材料并构建合适的物理结构至关重要。目前，包括聚丙烯腈(PAN)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚醋酸乙烯酯(PVA)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)等众多聚合物已被应用于纳米纤维过滤滤芯的制备。在这些聚合物中，由于PAN纳米纤维优异的化学稳定性和热稳定性，被广泛用作过滤介质。
然而，传统工艺制得的聚丙烯腈纤维过滤滤芯的过滤效果已经渐渐无法满足需求。
发明内容
基于此，有必要提供一种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，其制得的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯具有更高的颗粒物过滤效率和更低的过滤阻力，从而具有更好的过滤效果。
此外，还有必要提供上述串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法制得的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯，以及采用该串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的空气净化装置。
一种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，包括如下步骤：
提供浓度为5wt％～10wt％的聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液；以及
在温度恒定、相对湿度恒定的条件下，采用所述静电纺丝液在支撑层上进行静电纺丝，从而得到串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯，其中，所述温度为15℃～25℃，所述相对湿度为25％～55％，所述静电纺丝的推注速度为10μL/min～30μL/min，所述静电纺丝的纺丝直径为50nm～1000nm。
一种空气净化装置，包括上述的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯。
这种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，通过采用浓度为5wt％～10wt％的聚丙烯腈溶液作为静电纺丝液，控制静电纺丝的温度和相对湿度恒定，并且控制温度为15℃～25℃，相对湿度为25％～55％，推注速度为10-30μL/min，从而制得纺丝直径为50nm～1000nm的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯。结合具体实施例部分，制得串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯中可以形成串珠结构，从而使得串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯具有更高的颗粒物过滤效率和更低的过滤阻力，从而具有更好的过滤效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为本发明的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法的流程图。
图2为实施例1制得的PAN空气过滤滤芯的电镜图，其中，#P8-3对应A，#P8-4对应B，#P8-5对应C，#P8-6对应D。
图3为实施例2制得的PAN空气过滤滤芯的电镜图，其中，#P8/5-3对应A，#P8/5-4对应B，#P8/5-5对应C，#P8/5-6对应D。
图4为对比例制得的PAN空气过滤滤芯的电镜图，其中，#P11-3对应A，#P11-4对应B，#P11-5对应C，#P11-6对应D。
图5为测试例2中全自动口罩过滤效率测试仪的测试原理图。
图6为实施例1制得的PAN空气过滤滤芯的过滤效率和压降测试结果图，其中，#P8-3对应A，#P8-4对应B，#P8-5对应C，#P8-6对应D。
图7为实施例2制得的PAN空气过滤滤芯的过滤效率和压降测试结果图，其中，#P8/5-3对应A，#P8/5-4对应B，#P8/5-5对应C，#P8/5-6对应D。
图8为对比例制得的PAN空气过滤滤芯的过滤效率和压降测试结果图，其中，#P11-3对应A，#P11-4对应B，#P11-5对应C，#P11-6对应D。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。
本发明公开了一种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，包括如下步骤：
S10、提供浓度为5wt％～10wt％的聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液。
需要说明的是，聚丙烯腈溶液(PAN)的浓度指：聚丙烯腈的质量占聚丙烯腈与聚丙烯腈溶液的总质量之比。
S20、在温度恒定、相对湿度恒定的条件下，采用S10得到的静电纺丝液在支撑层上进行静电纺丝，从而得到串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯。
具体来说，温度为15℃～25℃，相对湿度为25％～55％，静电纺丝的推注速度为10μL/min～30μL/min，静电纺丝的纺丝直径为50nm～1000nm。
这种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，通过采用浓度为5wt％～10wt％的聚丙烯腈溶液作为静电纺丝液，控制静电纺丝的温度和相对湿度恒定，并且控制温度为15℃～25℃，相对湿度为25％～55％，推注速度为10-30μL/min，从而制得纺丝直径为50nm～1000nm的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯。结合具体实施例部分，制得串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯中可以形成串珠结构，从而使得串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯具有更高的颗粒物过滤效率和更低的过滤阻力，从而具有更好的过滤效果。
优选的，温度为18℃～22℃。
在一个具体的实施例中，静电纺丝液的浓度为8wt％，相对湿度为28％～32％。
在另一个具体的实施例中，静电纺丝液包括浓度不同的第一静电纺丝液和第二静电纺丝液。
该实施例中，采用静电纺丝液在支撑层上进行静电纺丝，从而得到串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的操作为：采用第一静电纺丝液和第二静电纺丝液以两个喷丝头同时在支撑层上进行静电纺丝，从而得到串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯。
通过采用浓度不同的第一静电纺丝液和第二静电纺丝液，可以使得串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯内形成不同尺寸的串珠状聚丙烯腈纤维，从而可以其提高颗粒物过滤效率。
优选的，在该实施例中，第一静电纺丝液的浓度为8wt％，第二静电纺丝液的浓度为5wt％。
具体来说，在该实施例中，温度为18℃～22℃，相对湿度为28％～32％、38％～42％或48％～52％。
上述串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法制得的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯为层状，并且串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的面密度优选为1.67g m-2～1.90g m-2。
更优选的，串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的面密度优选为1.77g m-2。
一般来说，支撑层可以为颗粒物过滤效率和过滤阻力均为0的无纺布。
本发明通过优化电纺液浓度、静电纺过程参数和环境湿度，首次设计制备了一种易于实现的静电纺串珠状PAN纳米纤维空气过滤滤芯，实现了较高的颗粒物去除效率和较低的压降。在该制备过程中，不使用其他聚合物材料及添加剂，制备步骤简单易行。
本发明可以有效的解决现有多级纳米纤维空气过滤滤芯所需制备原料及制备程序复杂、难于生产等弊端。
与现有纳米纤维空气过滤滤芯相比，本发明所制备的具有串珠状结构的PAN纳米纤维空气过滤滤芯在保证较高的过滤效率的同时，可以保持较低的压降，同时具有良好的机械性能及长期过滤稳定性。另外本发明所提供的串珠状纳米纤维空气过滤滤芯的制备方法仅通过调节电纺环境条件即可实现，制备步骤简单，易于应用于大规模生产。本项目为生产高效低阻、低成本的空气过滤滤芯提供一种高效、经济的途径。
本发明还公开了一种上述的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法制备得到串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯。
该串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯可以应用于多种不同类型的空气净化装置中。
例如，该串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯可以应用于口罩或空气净化器。
以下为具体实施例。
实施例1
分别在相对湿度为30±2％、40±2％、50±2％、60±2％的条件下，控制温度为18℃～22℃，推注速度为20μL/min，在颗粒物过滤效率和过滤阻力均为0的无纺布上电纺浓度为8wt％的PAN溶液，静电纺丝的纺丝直径控制在50nm～1000nm内，控制PAN空气过滤滤芯面密度1.77gm-2，制备的PAN空气过滤滤芯分别被命名为#P8-3、#P8-4、#P8-5和#P8-6。
实施例2
分别在相对湿度为30±2％、40±2％、50±2％、60±2％的条件下，控制温度为18℃～22℃，推注速度为20μL/min，在颗粒物过滤效率和过滤阻力均为0的无纺布上采用两个喷丝头同时电纺浓度为8wt％和5wt％PAN溶液，静电纺丝的纺丝直径控制在50nm～1000nm内，控制PAN空气过滤滤芯面密度1.77gm-2，得到的PAN空气过滤滤芯分别为#P8/5-3、#P8/5-4、#P8/5-5和#P8/5-6。
对比例
分别在相对湿度为30±2％、40±2％、50±2％、60±2％的条件下，控制温度为18℃～22℃，推注速度为20μL/min，在颗粒物过滤效率和过滤阻力均为0的无纺布上电纺浓度为11wt％PAN溶液，静电纺丝的纺丝直径控制在50nm～1000nm内，控制PAN空气过滤滤芯面密度1.77gm-2，所制备的PAN空气过滤滤芯分别被命名为#P11-3、#P11-4、#P11-5和#P11-6。
测试例1
通过场发射扫描电镜(FESEM)对所制备的PAN纳米纤维空气过滤滤芯进行表面形貌观察，分别得到图2、图3和图4。
从图4中可以看出，由11wt％的PAN电纺液制备的纳米纤维表面光滑，四种相对湿度条件下均无串珠结构出现，这是由于11wt％的电纺液具有足够的黏性。另外，纳米纤维直径随着相对湿度的增加而增加。
结合图2，为了获得更薄的纳米纤维空气过滤滤芯，将电纺液浓度降低至8wt％，8wt％电纺液在相对湿度为30％的条件下，产生串珠结构(#P8-3)，其余条件下均表现为平滑的纳米纤维表面。
结合图3，为进一步提高纳米纤维空气过滤滤芯的过滤效率，降低过滤阻力，本发明提出了具有分层结构的串珠状纳米纤维过滤滤芯，同时用8wt％和5wt％的PAN电纺液进行静电纺丝，过滤滤芯#P8/5-3、#P8/5-4和#P8/5-5表现出明显的串珠结构，随着相对湿度的增加，过滤滤芯的串珠密度有所下降。
测试例2
通过全自动口罩过滤效率测试仪对所制备的PAN纳米纤维空气过滤滤芯的过滤效率及压降进行测试，测试原理图如图5所示。
通过公式(1)和公式(2)分别计算得PAN纳米纤维空气过滤滤芯的过滤效率(η，％)和压降(ΔP,Pa)。
Figure BDA0002459489910000071
公式(1)中：Cdownstream和Cupstream分别是纳米纤维空气过滤滤芯下游和上游的颗粒浓度。
ΔP＝Pupstream-Pdownstream 公式(2)
公式(2)中：Pupstream和Pdownstream分别是纳米纤维空气过滤滤芯下游和上游的气流压力。
本测试例中，对具有不同串珠结构的纳米纤维空气过滤滤芯的机械性能及长期稳定性进行测试。
纳米纤维去除气溶胶颗粒物的机理主要包括重力沉降、静电吸引、惯性碰撞、物理拦截和布朗扩散等，当颗粒物粒径在300nm～1000nm时，重力沉降、惯性碰撞、物理拦截三种去除机制起主导作用，当颗粒物粒径在300nm以下时，静电吸引和布朗扩散去除机制起主导作用，而粒径为300nm的颗粒物无对应的主要去除机制，因此，直径为300nm的超细颗粒的去除率最低，300nm为颗粒物的最易穿透粒径(Most penetrating particlesize，MPPS)，该粒径处的颗粒物具有最低过滤效率。因此，本实施例中采用平均粒径为300nm的NaCl固体和石蜡油气溶胶颗粒通过图5所示的口罩过滤效率测试仪对所有过滤滤芯的性能进行评估，通过公式(1)和公式(2)得到相应过滤效率及压降。
具体测试结果如图6、图7和图8所示。
结合图8，当气流率为4.2cm s-1时，由11wt％PAN电纺液制备的空气过滤滤芯对300nmNaCl气溶胶的过滤效率分别是84.7±1.2％(#P11-3)，71.3±1.1％(#P11-4)，53.3±3.6％(#P11-5)和51.7±2.9％(#P11-6)，压降分别为10.3±0.6Pa、4.7±0.5Pa、2.7±0.6和3.3±0.6Pa。
结合图6，由8wt％PAN电纺液制备空气过滤滤芯相较于11wt％PAN电纺液所制备的纳米纤维具有更高的过滤效率及压降。各过滤滤芯对石蜡油气溶胶的过滤性能表现出相同趋势。
因此，纳米纤维直径较细的空气过滤滤芯具有较高的过滤效率和气流阻力；随着气流速率的增加，过滤效率逐渐降低，而压降逐渐升高。另外，纳米纤维空气过滤滤芯对NaCl固体气溶胶颗粒的过滤效率高于石蜡油气溶胶颗粒。
结合图7，由8wt％和5wt％PAN电纺液制备的串珠状纳米纤维过滤滤芯与平滑纳米纤维过滤滤芯表现出相同的趋势。并且随着气流速度的增加，颗粒物去除效率降低，而压降增加。
与平滑纳米纤维过滤滤芯(例如#P8-4，对NaCl固体和石油气溶胶的去除率分别为93.6±1.2％和89.8±1.1％)相比，珠串式过滤滤芯#P8/5-3对NaCl固体和石油气溶胶的去除率分别为96.5±0.9％和91.9±2.3％。
同时，与平滑纳米纤维过滤滤芯(例如#P8-4，例如#P8-4，对NaCl固体和石油气溶胶的的压降分别为18.0±0.1Pa和17.0±0.1Pa)相比，珠串式过滤滤芯#P8/5-3对NaCl固体和石油气溶胶的压降分别为14.3±0.6Pa和14.0±0.1Pa。
当纤维形貌从串珠状结构转变为平滑纤维(#P8/5-6)时，NaCl固体和石油气溶胶的过滤效率进一步下降到90.0±0.1％和83.7±3.2％。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供浓度为5wt％～10wt％的聚丙烯腈溶液，作为静电纺丝液；以及
在温度恒定、相对湿度恒定的条件下，采用所述静电纺丝液在支撑层上进行静电纺丝，从而得到串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯，其中，所述温度为15℃～25℃，所述相对湿度为25％～55％，所述静电纺丝的推注速度为10μL/min～30μL/min，所述静电纺丝的纺丝直径为50nm～1000nm；
所述静电纺丝液包括浓度不同的第一静电纺丝液和第二静电纺丝液；
所述采用所述静电纺丝液在支撑层上进行静电纺丝，从而得到串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的操作为：采用所述第一静电纺丝液和所述第二静电纺丝液以两个喷丝头同时在所述支撑层上进行静电纺丝，从而得到所述串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯。
2.根据权利要求1所述的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，其特征在于，所述第一静电纺丝液的浓度为8wt％，所述第二静电纺丝液的浓度为5wt％。
3.根据权利要求1或2所述的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，其特征在于，所述温度为18℃～22℃，所述相对湿度为28％～32％、38％～42％或48％～52％。
4.根据权利要求1所述的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法，其特征在于，所述串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯为层状，并且所述串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的面密度为1.67g m-2～1.90g m-2；
所述支撑层为颗粒物过滤效率和过滤阻力均为0的无纺布。
5.一种串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯，其特征在于，所述串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯为权利要求1～4中任一项所述的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯的制备方法制备得到。
6.一种空气净化装置，其特征在于，包括权利要求5所述的串珠状聚丙烯腈纤维过滤滤芯。
7.根据权利要求6所述的空气净化装置，其特征在于，所述空气净化装置为口罩或空气净化器。
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