CN111905576A - 多功能纳米纤维空气过滤膜 - Google Patents

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Abstract

多功能纳米纤维空气过滤膜，本发明涉及高分子多孔纳米纤维，为了解决以下的两个问题：有着高过滤效率性能的窗纱却不可避免的低的空气通过率的问题和低的光通过率的问题，本发明提供如下的技术方案：在本发明的一个实施例中，本发明提供一种高分子多孔纳米纤维，制备高分子多孔纳米纤维的聚合物选自偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物(PVDF‑HFP)以及聚丙烯腈(PAN)，其中PVDF‑HFP占总含量的质量百分含量为85％‑95％，优选含量为90％。通过改进的制备方法使得制备的纳米纤维具备大量的气孔，在不需要减少纳米纤维的数量前提下，增加透气性和光的透过率，同时还兼顾维持了良好的过滤性能。

Description

多功能纳米纤维空气过滤膜
技术领域
本发明涉及多功能纳米纤维空气过滤膜，以及制造多功能纳米纤维空气过滤膜的方法，还涉及一种可以用在窗户上的含有既能过滤又具有良好的通透性和透光性的过滤窗纱。
背景技术
由于细颗粒物(PM)对民众健康的潜在威胁，人们对它的关注也在持续增加。在商业大厦内一般都会有一套复杂的过滤系统过滤或者通过中央空调网络过滤，但遗憾的是，普通住宅很少配备有类似的过滤系统。也有采用机械通风设备通过大量的管道来进行新鲜空气的交换，但是这样的设备持续的需要能量才能实现导致难以大规模的采用。当处在室内时，人们必须考虑室内空气的质量以及如何进行空气的交换这些问题，解决这些问题的优选方式是通过窗纱直接进行空气交换和过滤，即室外的空气以自然通风的方式通过窗纱并过滤进入室内(确保进入的空气的质量好)，这种方式既不需要能量，也不需要专门的过滤系统，但是采用这种方式要求窗纱必须同时具有较好的透气性和光的通透性。
传统的防尘窗纱可以有效的过滤细颗粒物(PM)，但是同时也会阻碍空气的流通，造成窗纱内外较大的压差。尽管其中不乏一些传统的防尘窗纱制造者声称可以保持相对的较好空气流通，但是事实上这些窗纱只能过滤大颗粒的灰尘或者昆虫，并不能有效的过滤细颗粒物(PM)。因此，既能有效的过滤细颗粒物(PM)又可以保持良好的空气的流通的窗纱基本没有。
一般来说，有着较高的比表面积的过滤材料过滤效率高，而拥有高孔率的过滤材料往往空气流动性好。由于纳米纤维有着高的比表面积和高孔率，涂覆有纳米纤维的基底层成为了制作空气过滤纱窗相关的优选材料，然而，传统的涂覆有纳米纤维的基底层过滤材料并不能用于制作窗纱，因为其透光率极其的低。透光率低的原因在于其有大量的纳米纤维，其结构如图1所示，这种结构有着较高的过滤效率。在这种结构的基础上，为了加强光的透过率，必须显著的减少纳米纤维的数量，形成如图2所示的结构。然而，当该材料作为窗纱使用，显著的减少纳米纤维的数量毫无疑问的会导致出现两个问题：1.急剧的降低过滤效率；2.急剧的降低污染物的捕获率。
发明内容
为了解决以下的两个问题：1.当前有着高过滤效率性能的窗纱却不可避免的低的空气通过率的问题；2.当前有着高过滤效率性能的窗纱却不可避免的低的光通过率的问题，本发明提供如下的技术方案：
在本发明的一个实施例中，本发明提供一种多功能纳米纤维空气过滤膜，制备多功能纳米纤维空气过滤膜的聚合物选自偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)以及聚丙烯腈(PAN)，其中PVDF-HFP占总含量的质量百分含量为85％-95％，优选含量为90％。
在本发明的一个实施例中，本发明提供一种多功能纳米纤维空气过滤膜的制备方法，其方法是将两种聚合物的微球/粉末溶解有机溶剂中，具体的操作步骤为：
步骤(1)：混合PVDF-HFP及PAN在有机溶剂中，并加入可增强导电性的表面活性剂，混合时间为8-12小时，优选混合时间为10小时，混合温度为20-30℃，优选混合温度为25℃。
所述的表面活性剂可以是氯化苄三乙胺(BTEAC),氯化苄三乙胺(BTEAC)是一种增强导电性的表面活性剂，用于增加聚合物溶液的导电性和聚合物溶液的电可纺性。所述的表面活性剂还可以是四乙基溴化铵(tetraethylammonium bromide)和/或苯扎氯铵(benzalkonium chloride)等。
所述的有机溶剂可以是二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基乙酰胺(DMA)，将低蒸汽压溶剂(low vapor pressure solvent)如本案中的DMA，和高蒸汽压溶剂(high vaporpressure solvent)如本案中的DMF的混合使用，使得溶剂在静电纺纱过程中形成热力学上的不稳定，从而形成表面多孔的纳米纤维；或者所述的有机溶剂还可以是包括丙酮与DMF的混合液，或者丙酮与DMA的混合液，其中丙酮的作用为改善溶剂在静电纺丝过程中的挥发速度。
步骤(2)：静电纺丝装置制备多孔纳米纤维，静电纺丝的电压为80-100kV，优选电压为90kV，喷丝电极与基材的距离为200-210mm，优选距离为205mm，基材的移动速度为3-5m/min，优选速度为4m/min，纺丝环境的温度为20-30℃，优选温度为25℃，纺丝环境的相对湿度为30-40％，优选相对湿度为35％。
为了增加透气性，降低了纳米纤维的沉积量，尽管透气性能会增强，但是纳米纤维数量的减少将会导致具有纳米纤维涂层的纤维的过滤效率的急剧下降。为了在降低纳米纤维数量的同时维持较高的过滤效率使之维持透明水准，选择一种聚合物(比如PVDF-HFP)和另外一中具有大偶极矩的聚合物(比如PAN)混合，如此一来，纳米纤维和污染物之间的偶极-偶极相互作用就会增强。由于PM2.5颗粒外表面的有含有O和N(比如C-O,C＝O和C-N))这样的极性官能团，具有大偶极矩的聚合物纳米纤维将会显示出更强的偶极-偶极和诱导偶极的分子间作用力，由此获得更高的PM2.5的捕获效率。
本发明从以下两个方面着手进行改进：
第一保证过滤效率的同时降低纳米纤维的数量
虽然空气的流通性增强，但是减少纳米纤维的数量会导致涂覆有纳米纤维的纤维基底的过滤效率急剧降低，为了保证高过滤效率的同时降低纳米纤维的数量使得其达到透明的水准，本发明提供的技术方案是：选择一种聚合物，将其和另外一种具有大偶极矩的聚合物混合，如图3所示，如此一来，纳米纤维和污染物之间的偶极-偶极相互作用就会增强。一般的污染物的外表面存在有包含O和N(比如C-O,C＝O和C-N))的极性官能团，诸如PM2.5也同时存在一些如烷类的非极性官能团，因此，由具有大偶极矩的聚合物制备的纳米纤维能主动有效的捕获PM2.5，以此达到高的过滤效率。由于具有诸如C-O,C＝O和C-N极性官能团存在于PM2.5颗粒的外表面，具有大偶极矩的聚合物纳米纤维会显示出更强的偶极-偶极和诱导偶极的分子间作用力，进而获得更高的PM2.5的捕获效率。
第二维持污染物捕捉性能的同时降低纳米纤维的数量
纳米纤维数量的降低会导致涂覆有纳米纤维的纤维基底对污染物捕捉性能的急剧降低，这是由于表面面积的降低所致，为了在不增加纳米纤维的数量前提下保持对污染物的捕捉性能，如图4所示，在每个纳米纤维上形成纳米孔，如此一来涂覆有纳米纤维的窗纱的比表面积就会显著的增加。当聚合物容易涂覆在基底上时，就会发生对流蒸发，在溶剂蒸发时，溶液变得热力学不稳定，这就使得该发生过程被分为两相：富聚合物相(polymer-rich phase)和贫聚合物相(polymer-deficient phase)，相位分离后浓缩富聚合物相很快地凝固形成矩阵，贫聚合物相则形成气孔。同样的，溶剂蒸发压力在气孔的形成过程中有着决定性的影响。混合低蒸发压溶剂和高蒸发压溶剂使得溶液在电纺丝过程中热力学上的不稳定，因而形成多孔表面纳米纤维。
本发明还提供一种纳米纤维防尘过滤窗纱，该过滤窗纱具体包括有：一个含有多个微纤维的基底层；和一个涂覆在所述的基底层上的多功能纳米纤维空气过滤膜涂料层。
所述的微纤维可以是聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。
本发明提供的窗纱过滤效果好，使用方便，不要提供能量，也不需要配备复杂的过滤系统，可以处理PM2.5的污染物浓度的上限是300μg/m3，下限是35μg/m3，最小可以捕捉到空气中直径小于等于2.5微米的颗粒物。
本发明提供的多功能纳米纤维空气过滤膜，采用一种聚合物(比如PVDF-HFP)和另外一中具有大偶极矩的聚合物(比如PAN)制备，以此增强制备的纳米纤维和污染物之间的偶极-偶极相互作用，从而提供对细小颗粒物捕获效率；另外，通过改进的制备方法使得制备的纳米纤维具备大量的气孔，在不需要减少纳米纤维的数量前提下，增加透气性和光的透过率，同时还兼顾维持了良好的过滤性能。
附图说明
图1为现有技术提供的过滤材料的细微结构放大简单示意图；
图2为图1中的过滤材料降低了纳米纤维数量的细微结构放大简单示意图；
图3为本发明提供的过滤材料吸附污染物的原理图；
图4为本发明提供的过滤材料的细微结构放大简单示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的解释和说明。
实施例1
一种防尘过滤窗纱用多功能纳米纤维空气过滤膜，其制备过程如下：
步骤(1)：混合PVDF-HFP及PAN在有机溶剂中，并加入可增强导电性的表面活性剂，混合10小时，混合温度为25℃；
PVDF-HFP及PAN的质量比为22：3；
所述的有机溶剂是二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基乙酰胺(DMA)混合溶剂，两者的质量比为1:1；
所述的表面活性剂是氯化苄三乙胺(BTEAC)，用量为总量的1％；
步骤(2)：用步骤(1)中的混合物，采用静电纺丝装置制备多孔纳米纤维，静电纺丝的电压为90kV，喷丝电极与基材的距离为205mm，基材的移动速度为4m/min，纺丝环境的温度25℃，纺丝环境的相对湿度为35％，得到了高分子多孔纳米纤维1(多功能纳米纤维空气过滤膜1)。
在同等的条件下对实施例1制备的高分子多孔纳米纤维制作得到的改进窗纱和普通的窗纱分别在同等条件下进行PM2.5的过滤效果测试，普通的窗纱几乎无法对PM2.5进行有效的过滤，其中改进纱窗对PM2.5的捕获效率高达95.8％；两者的对光的通透性却相差不大，其中改进纱窗在完成过滤测试后，其透气性依旧很好。
过滤效果测试采用AM510 PM2.5测试仪，将经过纱窗的PM2.5进行测试，将经过窗纱的PM2.5的浓度和过滤前的PM2.5的浓度相比，即得到过滤效率。过滤前的平均浓度为100微克/立方米，下面实施例采用的均为该测试方法。
在光源相同的前提下对窗纱另一侧进行透光率测试即可，透气性测试一般采用压差法进行测试。
实施例2
一种防尘过滤窗纱用高分子多孔纳米纤维，其制备过程如下：
步骤(1)：混合PVDF-HFP及PAN在有机溶剂中，并加入可增强导电性的表面活性剂，混合时间为9小时，混合温度为28℃。
所述的PVDF-HFP及PAN的质量比例为2:1；
所述的表面活性剂是四乙基溴化铵(tetraethylammonium bromide)和苯扎氯铵(benzalkonium chloride)的质量比为1:1的混合表面活性剂，用量为总量的的2％。
所述的有机溶剂是二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMA)和丙酮质量比为5:4:0.5的混合有机溶剂。
步骤(2)：静电纺丝装置制备多孔纳米纤维，静电纺丝的电压为95kV，喷丝电极与基材的距离为200mm，基材的移动速度为5m/min，纺丝环境的温度为24℃，纺丝环境的相对湿度为33％。
在同等的条件下对实施例2制备的高分子多孔纳米纤维制作得到的改进窗纱和普通的窗纱分别在同等条件下进行PM2.5的过滤效果测试，普通的窗纱几乎无法对PM2.5进行有效的过滤，其中改进纱窗对PM2.5的捕获效率高达93.5％；两者的对光的通透性却相差不大，其中改进纱窗在完成过滤测试后，其透气性依旧很好。
实施例3
一种防尘过滤窗纱用多功能纳米纤维空气过滤膜，其制备过程如下：
步骤(1)：混合PVDF-HFP及PAN在有机溶剂中，并加入可增强导电性的表面活性剂，混合时间为11小时，混合温度为22℃。
PVDF-HFP及PAN、四乙基溴化铵的质量比为5：6：0.06；
所述的有机溶剂以是质量比为1:2的二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基乙酰胺(DMA)；
步骤(2)：静电纺丝装置制备多孔纳米纤维，静电纺丝的电压为85kV，喷丝电极与基材的距离为208mm，基材的移动速度为3.5m/min，纺丝环境的温度为26℃，纺丝环境的相对湿度为38％。
在同等的条件下对实施例3制备的多功能纳米纤维空气过滤膜制作得到的改进窗纱和普通的窗纱分别在同等条件下进行PM2.5的过滤效果测试，普通的窗纱几乎无法对PM2.5进行有效的过滤，但是改进纱窗对PM2.5的捕获效率高达90.6％；两者的对光的通透性却相差不大，其中改进纱窗在完成过滤测试后，其透气性依旧很好。

Claims (9)

1.一种多功能纳米纤维空气过滤膜，其特征在于，所述的过滤膜采用偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物以及聚丙烯腈制备而成，其中偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物占总含量的质量百分含量为85％-95％。
2.如权利要求1所述的多功能纳米纤维空气过滤膜，其特征在于，所述的偏氟乙烯和六氟丙烯共聚物占总含量的质量百分含量为90％。
3.如权利要求1所述的多功能纳米纤维空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包含有如下步骤：
步骤(1)：混合PVDF-HFP、PAN及用于增强导电性的表面活性剂加入到有机溶液中，混合均匀，所述的有机溶液为混合溶液，所述的混合溶液包括有低蒸汽压溶剂和和高蒸汽压溶剂；
步骤(2)：将步骤(1)中的混合溶剂采用静电纺丝装置制备多孔纳米纤维，静电纺丝的电压为80-100kV，喷丝电极与基材的距离为200-210mm，基材的移动速度为3-5m/min，纺丝环境的温度为20-30℃，纺丝环境的相对湿度为30-40％。
4.如权利要求3所述的多功能纳米纤维空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的静电纺丝的电压为90kV，和/或所述的喷丝电极与基材的距离为205mm，和/或所述的基材的移动速度为4m/min，和/或所述的纺丝环境的温度为25℃，和/或所述的纺丝环境的相对湿度为35％。
5.如权利要求3所述的多功能纳米纤维空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述的低蒸汽压溶剂为二甲基甲酰胺，和/或所述的高蒸汽压溶剂为二甲基乙酰胺。
6.如权利要求3所述的多功能纳米纤维空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂还包括有丙酮。
7.如权利要求3所述的多功能纳米纤维空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述的表面活性剂为氯化苄三乙胺、四乙基溴化铵和/或苯扎氯铵。
8.一种多功能纳米纤维空气过滤膜制备的过滤窗纱，其特征在于，所述的过滤窗纱包括有
一微纤维制备的基底层；
一采用如权利要求1-8任一权利要求所述的多功能纳米纤维空气过滤膜的涂层，所述的涂层涂覆于所述的基底层。
9.如权利要求8所述的一种多功能纳米纤维空气过滤膜的过滤窗纱，其特征在于，所述的微纤维为聚对苯二甲酸乙二酯制成。
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