CN111437655A - 一种用于空气过滤的驻极体材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空气过滤的驻极体材料，主要由以下重量份的成分制备而成：电气石粉末20～28份、无机粒子7～12份、非质子溶剂26～35份、分散剂1份、表面处理剂4～6份、偶联剂1～3份、成膜单体1份、引发剂1份、氟碳相有机材料24～26份、甲醇1份。本发明提出了将具有强自发极化性的无机材料电气石掺杂到具有强电荷保持率的无机材料制成纳米粒子，对极化纳米粒子用具有最高电荷饱和性的偶联剂进行表面处理，再以氟碳相有机材料孔洞膜进行包覆制成氟碳相有机材料包覆的电气石无机驻极体材料。本发明的驻极过滤材料在提高过滤效率和过滤精度前提下，还同时克服了透气性差，阻力高等技术难题，适用于静电小，粉尘细等情况。

Description

一种用于空气过滤的驻极体材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及空气净化领域，特别涉及一种用于空气过滤的驻极体材料及其制备方法。

背景技术

目前，人们对人体健康的追求也越来越高，因此对环境质量的要求也越来越高，空气质量问题特别是PM2.5备受人们的关注，由于人体的生理结构决定了对PM2.5没有阻拦能力，所以需采用口罩、净化器等手段来帮助阻挡雾霾的伤害，此外，空气中的粉尘、化学物质、有害微生物等也会损害人体的健康。然而传统过滤材料由立体网状结构的超细纤维粘结而成，通常地，过滤材料主要依靠物理的机械阻挡作用来实现过滤功能，但是其对粒径小于3μm的颗粒过滤效果不理想，并不能有效的去除空气中的微小颗粒，普通过滤材料如果要达到较高的过滤效率，具备较好的过滤效果，通常会降低过滤材料中的纤维直径或者将织物织得更加紧密，这使得过滤材料厚度较大，由此导致过滤阻力大幅上升，进而使得产品的透气性欠缺，影响使用者的呼吸体验或者增加净化器等过滤设备的能耗。

驻极处理使得纤维带有丰富的电荷，经驻极后的带电纤维不仅能够像磁铁一样吸引空气中大部分的带电微粒，同时也可将未带电的部分颗粒极化，进而吸附。由此可知，熔喷驻极体过滤材料除原有的物理机械阻挡作用外，还可吸引带电微粒、或者诱导中性微粒极化进而将其吸附，这样使得熔喷非织造材料不仅过滤直径较大的颗粒物，而且有效过滤空气中的亚微米粒子，可以在不增加过滤阻力的情况下，实现高效过滤。

但是，目前国内外虽然已有驻极体材料相关的专利，但是驻极体材料采用熔喷材料经电晕放电等方式驻极而成，这些驻极体材料一般只适用于空气净化、水处理等一次性用品，不适合反复使用，这样会使滤料在使用一段时间后，不易清灰，过滤精度差，滤料阻力增加，从而使得设备阻力增大，透气性差，影响使用寿命。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有技术的不足，提供一种用于空气过滤的驻极体材料及其制备方法。本发明提出了将具有强自发极化性的无机材料电气石掺杂到具有强电荷保持率的无机材料制成纳米粒子，对极化纳米粒子用具有最高电荷饱和性的氟碳相偶联剂进行表面处理，再以氟碳相有机材料的孔洞膜进行包覆，制成氟碳相有机材料包覆的电气石无机驻极体材料。本发明的驻极过滤材料在提高过滤效率和过滤精度前提下，还同时克服了透气性差，阻力高等技术难题，而且作用时间更加长效。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种用于空气过滤的驻极体材料，主要由以下重量份的成分制备而成：电气石粉末20～28份、无机粒子7～12份、非质子溶剂26～35份、分散剂1份、表面处理剂4～6份、偶联剂1～3份、成膜单体1份、引发剂1份、氟碳相有机材料24～26份、甲醇1份。

本发明电气石粉末为自发电极性材料，当所处环境温度与压力不断变化时，晶体晶格内晶键发生扭转，电子发生转移，使得电气石一端带正电，另一端带负电；晶体中带电粒子之间连续发生相对位移，正负电荷中心始终处于分离状态，晶体的总电矩不断发生变化，连续自发极化产生电荷。当晶粒接近纳米时，每一个微粒相当于一对电偶极子；其自发极化效应是永久性的。采用无机粒子进行掺杂，优选无机离子为纳米级无机粒子，来提高电荷当保持率，使极化材料产生的电荷转移至纳米无机粒子，提高了保持时间。氟碳相有机材料，如聚偏氟乙烯(以下简称PVDF)、聚四氟乙烯(以下简称PTFE)是电荷储存性能优良有机高分子，具有耐化学腐蚀性、耐高温性、疏水性、优异的拉伸性能和介电性。经偶联剂改性处理的极性无机材料可以充分均匀分散到聚合物中，经充电处理后可获得相比原聚合物数准静态压电系数提高了两个数量级以上。

作为上述方案的优选方案，一种用于空气过滤的驻极体材料，主要由以下重量份的组分制备而成：电气石粉末20～24份、无机粒子7～12份、非质子溶剂30～35份、分散剂1份、表面处理剂4～6份、偶联剂2份、成膜单体1份、引发剂1份、氟碳相有机材料24～26份、甲醇1份。加入本方案的驻极体的过滤材料的过滤效率达到99％，阻力较小，燃烧时间较短。

在上述方案的基础上，电气石粉末为大于300目的细粉，粉末细，增大了接触面积，促进反应进行，有利于快速研磨成粒径更小的粉末，粒径过大无法进行研磨。

在上述方案的基础上，所述无机粒子为气相白炭黑、纳米氧化铝、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米钛酸钡、纳米氧化钽、纳米氮化硅、纳米二氧化硅中的一种或几种。

在上述方案的基础上，所述非质子溶剂为丁酮、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或者甲基异丁酮中的一种。二甲基亚砜简称为DMSO，N-甲基吡咯烷酮简称为NMP，N，N-二甲基乙酰胺简称为DMA，二甲基甲酰胺简称为DMF，甲基异丁酮简称为MIBK。上述非质子溶剂性质稳定；含有羰基或砜基，有利于稳定纳米粒子，降低团聚趋势。

在上述方案的基础上，所述分散剂为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。

在上述方案的基础上，表面处理剂为全氟己基乙醇聚氧乙烯醚、2-[(8-氯-1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8-十六氟辛基)氧基]-1,1,2,2-四氟乙烷磺酰氟、六氟环氧丙烷多聚体酯、六氟环氧丙烷多聚体醇、全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚、全氟烷基乙醇聚氧乙烯醚、4,4-(六氟异丙烯)二酞酸酐中的一种或几种。上述表面处理剂降低无机粒子表面能，提高无机粒子与氟硅偶联剂亲和能力，提高偶联反应速率。

在上述方案的基础上，所述偶联剂为氟硅偶联剂，优选为三氟丙基甲基二氯硅烷、(3,3,3-三氟丙基)甲基二甲氧基硅烷、三氟丙基甲基环三硅氧烷(D3F)、3,3,3-三氟丙基三氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟己基甲基二氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟己基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟己基三氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟己基三乙氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基甲基二氯硅烷、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷、三氟丙烷三甲氧基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三甲氧基硅烷、全(十三)氟辛基三甲氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷、三乙氧基-1H,1H,2H,2H-十三氟-N-辛基硅烷、十七氟癸基三氯硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷一种或几种。

在上述方案的基础上，所述成膜单体为氟硅成膜单体，优选为1H,1H-七氟丁基丙烯酸酯、全氟辛基乙基氯代丙烯酸酯、丙烯酸五氟苯酯、2-(全氟丁基)乙基甲基丙烯酸酯、全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯、全氟丁基乙基丙烯酸酯、2-全氟烷基乙基丙烯酸酯、2-(全氟辛基)乙基甲基丙烯酸酯、2-(全氟己基)乙基甲基丙烯酸酯、1H,1H,2H,2H-全氟辛醇丙烯酸酯、1H,1H,2H,2H-全氟辛醇丙烯酸酯、甲基丙烯酸六氟丁酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯、甲基丙烯酸十二氟庚酯、1H,1H,7H-十二氟庚基丙烯酸酯、1H,1H-全氟丙基甲基丙烯酸酯、2,2,2-三氟乙基丙烯酸酯、丙烯酸十二氟庚酯、2,2,3,3-四氟丙基甲基丙烯酸酯、丙烯酸八氟戊酯、全氟正丙基乙烯基醚、1H,1H,5H-八氟戊基甲基丙烯酸酯、1,1,1,3,3,3-六氟异丙基丙烯酸酯、1H,1H-全氟丙基丙烯酸酯、丙烯酸四氟丙酯或者1,2,2-三氟苯乙烯中的一种或几种。

在上述方案的基础上，所述引发剂异丙苯过氧化氢或者叔丁基过氧化氢中的一种。异丙苯过氧化氢或者叔丁基过氧化氢作为引发剂引发反应温和，低残留。

在上述方案的基础上，氟碳相有机材料为PVDF或者PTFE乳液。优选的，氟碳相有机材料为PTFE乳液，PTFE乳液具有非常低的表面能，既疏水又疏油，PTFE乳液50Hz时介电常数：2.1；50Hz时介电损耗：0.0005；体积比电阻：1018Ω·cm；表面比电阻：1014Ω；抗拉强度：3.5×10⁷Pa；断裂伸长率：250～300％；抗压强度变形10％：1.9×10⁷Pa。而且聚四氟乙烯不吸水、不受氧气、紫外线作用、耐候性好，在户外暴露3年，抗拉强度几乎保持不变，仅伸长率有所下降。耐化学腐蚀性强，能耐王水和一切有机溶剂。

优选的，PTFE乳液优选自美国杜邦公司的Teflon PTFE TE3893、Teflon PTFETE3875、Teflon PTFE TE-7224、Teflon PTFE TE9568、Teflon PTFE FEPD121、Teflon PTFEFEPD335D、Teflon PTFE DISP 30、Teflon PTFE DISP 33、Teflon PTFE DISP 34、TeflonPTFE DISP 35，日本大金公司的POLYFLON PTFE D-110、POLYFLON PTFE D-210、POLYFLONPTFE D-210C、POLYFLON PTFE D-310、POLYFLON PTFE D-411、POLYFLON PTFE D-711，日本旭硝子公司的PTFE

XAD911、PTFE

XAD912、PTFE

XAD938、PTFE

AD639、PTFE

AD911E、PTFE

AD912E、PTFE

AD915E、PTFE

AD916E、PTFE

AD939E中的一种或多种。

在上述方案的基础上，所述甲醇起破乳作用。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种用于空气过滤的驻极体材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将电气石粉末与无机粒子按比例混合以非质子溶剂为介质，在分散剂、表面处理剂存在下，研磨制得表面改性的纳米驻极体粒子分散液；

步骤二，所得纳米粒子悬浮液中按比例依次加入偶联剂，成膜单体，引发剂，去离子水进行表面成膜处理；

步骤三，继续加入发泡的PTFE乳液，搅拌浸渍均匀，缓缓加入甲醇进行破乳，过滤，干燥发泡即制得PTFE孔洞膜包覆电气石无机驻极体。

本发明的有益效果是：

本发明将具有强自发极化性的无机材料电气石掺杂到具有强电荷保持率的无机材料制成纳米粒子，对极化纳米粒子用具有较高电荷饱和性的偶联剂进行表面处理，再以PTFE孔洞膜进行包覆制成PTFE包覆的电气石无机驻极体材料。这种驻极过滤材料不仅可以提高过滤效率和过滤精度，还同时克服了透气性差，阻力高等技术难题，适用于静电小，粉尘细等情况。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的内容，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做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。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1～3的发泡的PTFE乳液的制备：氩气注气系统与高速混合机相连，将一定量的PTFE乳液加入到高速混合机中，设定转速为200rpm开始搅拌，然后将注气系统减压阀压力设定至250bar，继续搅拌0.5h，制得发泡PTFE乳液。

实施例1

一种用于空气过滤的驻极体材料，主要由以下重量份的成分制备而成：电气石粉末20份、纳米二氧化钛7份、丁酮35份、聚乙二醇1份、六氟环氧丙烷多聚体酯3份、六氟环氧丙烷多聚体醇3份、(3,3,3-三氟丙基)甲基二甲氧基硅烷2份、全氟辛基乙基氯代丙烯酸酯1份、异丙苯过氧化氢1份、PTFE乳液26份、甲醇1份。

本实施例中一种用于空气过滤的驻极体材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，先将35份非质子溶剂丁酮加入至烧杯中，然后加入电气石粉末20份与无机粒子纳米二氧化钛7份，聚乙二醇1份作为分散剂，六氟环氧丙烷多聚体酯3份、六氟环氧丙烷多聚体醇3份作为表面处理剂，研磨制得表面改性的纳米驻极体粒子分散液。

步骤二，所得纳米粒子悬浮液中依次加入偶联剂(3,3,3-三氟丙基)甲基二甲氧基硅烷2份，全氟辛基乙基氯代丙烯酸酯1份，异丙苯过氧化氢1份为引发剂，然后加入去离子水进行表面成膜处理。

步骤三，继续加入发泡的PTFE乳液26份，搅拌浸渍均匀，缓缓加入1份甲醇进行破乳，过滤，干燥发泡即制得PTFE孔洞膜包覆电气石无机驻极体。

实施例2

一种用于空气过滤的驻极体材料，主要由以下重量份的成分制备而成：电气石粉末24份、气相白炭黑12份、DMSO 30份、聚丙二醇1份、六氟环氧丙烷多聚体醇4份、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷2份、全氟辛基乙基氯代丙烯酸酯1份、叔丁基过氧化氢1份、PTFE乳液24份、甲醇1份。

本实施例中一种用于空气过滤的驻极体材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，先将非质子溶剂DMSO 30份加入至烧杯中，然后加入电气石粉末24份与无机粒子气相白炭黑12份，聚丙二醇1份作为分散剂，六氟环氧丙烷多聚体醇4份作为表面处理剂，研磨制得表面改性的纳米驻极体粒子分散液。

步骤二，所得纳米粒子悬浮液中依次加入偶联剂十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷2份，全氟辛基乙基氯代丙烯酸酯1份，叔丁基过氧化氢1份为引发剂，然后加入去离子水进行表面成膜处理。

步骤三，继续加入发泡的PTFE乳液24份，搅拌浸渍均匀，缓缓加入1份甲醇进行破乳，过滤，干燥发泡即制得PTFE孔洞膜包覆电气石无机驻极体。

实施例3

一种用于空气过滤的驻极体材料，主要由以下重量份的成分制备而成：电气石粉末28份、纳米二氧化硅10份、丁酮26份、聚丙二醇1份、六氟环氧丙烷多聚体酯5份、十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷2份、全氟辛基乙基氯代丙烯酸酯1份、叔丁基过氧化氢1份、PTFE乳液25份、甲醇1份。

本实施例中一种用于空气过滤的驻极体材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，先将非质子溶剂丁酮26份加入至烧杯中，然后加入电气石粉末28份与无机粒子纳米二氧化硅10份，聚丙二醇1份作为分散剂，六氟环氧丙烷多聚体酯5份作为表面处理剂，研磨制得表面改性的纳米驻极体粒子分散液。

步骤二，所得纳米粒子悬浮液中依次加入偶联剂十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷2份，全氟辛基乙基氯代丙烯酸酯1份，叔丁基过氧化氢1份为引发剂，然后加入去离子水进行表面成膜处理。

步骤三，继续加入25份发泡的PTFE乳液，搅拌浸渍均匀，缓缓加入1份甲醇进行破乳，过滤，干燥发泡即制得PTFE孔洞膜包覆电气石无机驻极体。

对比例1

一种用于空气过滤的驻极体材料，要由以下重量份的成分制备而成：电气石粉末20份、纳米二氧化钛7份、丁酮35份、聚乙二醇1份、六氟环氧丙烷多聚体酯3份、六氟环氧丙烷多聚体醇3份、(3,3,3-三氟丙基)甲基二甲氧基硅烷2份、全氟辛基乙基氯代丙烯酸酯1份、异丙苯过氧化氢1份、PTFE乳液26份、甲醇1份。

本对比例中一种用于空气过滤的驻极体材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，先将非质子溶剂丁酮35份加入至烧杯中，然后加入电气石粉末20份与纳米二氧化钛7份，聚乙二醇1份作为分散剂，六氟环氧丙烷多聚体酯3份、六氟环氧丙烷多聚体醇3份作为表面处理剂，研磨制得表面改性的纳米驻极体粒子分散液。

步骤二，所得纳米粒子悬浮液中依次加入偶联剂(3,3,3-三氟丙基)甲基二甲氧基硅烷2份，全氟辛基乙基氯代丙烯酸酯1份，异丙苯过氧化氢为引发剂1份，然后加入去离子水进行表面成膜处理。

步骤三，继续加入PTFE乳液26份，搅拌浸渍均匀，缓缓加入甲醇1份进行破乳，过滤，干燥即制得电气石无机驻极体。

对比例2

本对比例选择的是聚丙烯，具体为采购于韩国LG公司的H7914熔喷级聚丙烯，分子量8万～15万。

测试样品的制备：目前没有直接对驻极体性能的测试，将实施例1～3以及对比例1所得驻极体与聚合物H7914熔喷级聚丙烯混合(其中，驻极体含量15％)得聚丙烯驻极体混合物，然后对以上所得聚丙烯驻极体混合物以及对比例2的熔喷级聚丙烯用静电纺丝机纺丝(静电纺丝条件：电压22.0kV、注射速度1.0mL/h、接收距离20cm时)制得实施例1～3、对比例1聚丙烯驻极体纤维膜以及对比例2的聚丙烯纤维膜，然后对所得实施例1～3、对比例1制得的聚丙烯驻极体纤维膜以及对比例2的聚丙烯纤维膜进行电晕处理(直流高压电源充电电压-25kV，空气湿度30％，充电距离5cm)得实施例1～3以及对比例1～2的测试样品，然后对测试样品进行测试。

本发明实施例1～3及对比例1～2测试样品的过滤效率和阻力性能根据《GB/T6165-2008高效空气过滤器性能试验方法效率和阻力》的测试方法进行测试，其燃烧时间根据《GB2626-2006自吸过滤式防颗粒物呼吸器》的测试方法进行测试；目前没有有关驻极体过滤材料静电性能测试的相关标准，采用静电测试仪测试，测试实施例1～3及对比例1～2的测试样品的表面电势；结果如表1所示。

表1实施例1～3及对比例1～2的测试样品测试方法与结果

请参见表1，实施例1～3中的测试样品的过滤效率为95～99％，明显优于对比例1～2，且实施例1和实施例2的测试样品的过滤效率更优；实施例1～3的测试样品的阻力较对比例1～2的测试样品的阻力较小；实施例1～3的测试样品的燃烧时间较对比例1～2的测试样品的燃烧时间较短，且从实施例1和实施例2的测试样品的燃烧时间来看，效果更优；实施例1～3的测试样品的表面电势较对比例1～2的高，说明静电性能好。

综上，表1中各实施例和对比例测试样品的过滤效率、阻力、燃烧时间和表面电势的测试数据说明，无论在各个单一性能上，还是在综合性能上，本发明的驻极体制成的过滤材料都明显地优于对比例的材料。

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 (10)

1.一种用于空气过滤的驻极体材料，其特征在于，主要由以下重量份的成分制备而成：电气石粉末20～28份、无机粒子7～12份、非质子溶剂26～35份、分散剂1份、表面处理剂4～6份、偶联剂1～3份、成膜单体1份、引发剂1份、氟碳相有机材料24～26份、甲醇1份。

2.根据权利要求1所述的用于空气过滤的驻极体材料，其特征在于，主要由以下重量份的组分制备而成：电气石粉末20～24份、无机粒子7～12份、非质子溶剂30～35份、分散剂1份、表面处理剂4～6份、偶联剂2份、成膜单体1份、引发剂1份、氟碳相有机材料24～26份、甲醇1份。

3.根据权利要求1所述的用于空气过滤的驻极体材料，其特征在于，所述电气石粉末为大于300目的细粉。

4.根据权利要求1所述的用于空气过滤的驻极体材料，其特征在于，所述无机粒子为气相白炭黑、纳米氧化铝、纳米二氧化钛、纳米氧化锌、纳米钛酸钡、纳米氧化钽、纳米氮化硅、纳米二氧化硅中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的用于空气过滤的驻极体材料，其特征在于，所述非质子溶剂为丁酮、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或者甲基异丁酮中的一种。

6.根据权利要求1所述的用于空气过滤的驻极体材料，其特征在于，所述分散剂为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的用于空气过滤的驻极体材料，其特征在于，所述氟碳相有机材料为发泡的PTFE乳液。

8.根据权利要求1所述的用于空气过滤的驻极体材料，其特征在于，所述成膜单体为氟硅成膜单体。

9.根据权利要求1所述的用于空气过滤的驻极体材料，其特征在于，所述引发剂异丙苯过氧化氢或者叔丁基过氧化氢中的一种。

10.根据权利要求7所述的用于空气过滤的驻极体材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一，将电气石粉末与无机粒子按比例混合以非质子溶剂为介质，在分散剂、表面处理剂存在下，研磨制得表面改性的纳米驻极体粒子分散液；

步骤二，所得纳米粒子悬浮液中按比例依次加入偶联剂，成膜单体，引发剂，去离子水进行表面成膜处理；

步骤三，继续加入发泡的PTFE乳液，搅拌浸渍均匀，缓缓加入甲醇进行破乳，过滤，干燥发泡即制得PTFE孔洞膜包覆电气石无机驻极体。