CN114377559A

CN114377559A - 超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜及其制备方法

Info

Publication number: CN114377559A
Application number: CN202210057613.3A
Authority: CN
Inventors: 陆登俊; 刘涛; 范毅烽; 侯杼利; 罗舒文
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2042-01-18
Also published as: CN114377559B

Abstract

本发明公开了超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜及其制备方法，得到一种具有超疏水性质的纳米纤维素空气净化膜，实现纳米纤维素空气净化膜在高湿度环境条件下的稳定过滤。本发明采用绿色化学改性和冷冻干燥工艺结合的形式，该方法具有安全稳定、生产工艺简单和工艺成本低廉的优势。

Description

超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及空气净化膜技术领域，具体涉及超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜及其制备方法。

【背景技术】

可持续发展是现在社会发展的基本理念，采用植物源材料替代不可再生材料势在必行。自新型冠状病毒侵袭全球以来，空气过滤装备的制造出现飞速上升，其中又以口罩滤芯为主要代表。相关数据显示，2020年口罩滤芯的产能提升了将近三倍。现阶段口罩滤芯仍以石油衍生物聚丙烯为主要材料来源，产能的增加必然会使碳排放升高，同时无法自然降解的缺陷会对生态环境造成二次污染。

基于此，以植物纤维可降解的纳米纤维素为基材，制备高效的空气净化膜成为现阶段的研究热点，现已有相关的研究，例如中国专利申请号201810717317.5一种纤维素_聚酰胺防静电空气净化复合膜及制备方法，该方法在纤维素/聚酰胺的纺丝乳液中加入氧化石墨烯、四羧基酞菁铁，在凝固时破乳，使氧化石墨烯析出并沉积在复合纳米膜的表面，并进一步在表面接枝一层四羧基酞菁铁，制备的复合膜可充分利用四羧基酞菁铁对甲醛的催化氧化能力，对甲醛的高效永久去除效果，并且可及时排除静电，防止粉尘吸附，防止膜孔堵塞，耐久性好，使用寿命长，可广泛用于空气净化领域。又例如中国专利申请号201710587286.1一种负离子空气净化膜的制备方法，以醋酸纤维素为主要材料，溶于单一溶剂或混合溶剂中，得到的混合纤维溶液再与改性的奇冰石粉进行混合均质，通过静电纺丝的方法制备得到新型的负离子空气净化膜，制得的膜的面密度为30-120g/m²、厚度为0.3-0.8mm、抗张强度：8-15KN/M，以醋酸纤维素为主要成分制备空气净化膜，方法简单，将奇冰石粉添加于净化膜上，在过滤空气的同时，带来负离子，达到净化空气目的。

然而，植物纤维纳米纤维素是一种亲水纤维，材料的基本特性致使了其在不同场景应用的限制，特别是在高湿度、高温差环境下，具体表现在以下两点：1、在高湿度环境下植物纤维容易吸湿溶胀，致使纤维结构软化，最终在使用过程中的气压差环境下纤维网状结构发生坍塌，丧失最基本的过滤性能；2、静电柱极的电纺丝膜受高湿度空气中水分子干扰使其携带的表面电荷损失，降低了以静电吸附力为主导的过滤效率。在实际应用的环境条件中，处于热带或亚热带地区的空气相对湿度(RH)可高达80-90％，人体口鼻呼吸会产生约含有85-95％RH的气溶胶湿热空气。当空气净化膜两端存在一定温度差时，基于冷凝效应，湿气流通过过滤介质时会被冷凝形成液滴。这种冷凝现象对纤维过滤膜结构的破坏是毁灭性的，一方面亲水纤维吸收液滴导致机械性能剧降，过滤膜的抗拉伸性和抗弯曲性不足；另一方面毛细作用力使截留的液滴在纤维间凝聚形成液膜，使得过滤介质的气流通路减少，导致过滤阻力上升。

因此，现阶段纳米纤维素空气净化膜抗湿性能不足是限制其应用的关键因素。

【发明内容】

针对现有技术中纳米纤维素空气净化膜抗湿性能不足的问题，本发明提供了超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜及其制备方法，得到一种具有超疏水性质的纳米纤维素空气净化膜，实现纳米纤维素空气净化膜在高湿度环境条件下的稳定过滤。本发明采用绿色化学改性和冷冻干燥工艺结合的形式，该方法具有安全稳定、生产工艺简单和工艺成本低廉的优势。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，包括如下步骤：

1)准备重量份的纳米纤维素40-60份，甲基三甲氧基硅烷0.1-1份，叔丁醇40-60份、纯净水2-4份，将纳米纤维素和叔丁醇混合均匀，并置于超声条件下均质；

2)将纯净水调整pH＝4，加入甲基三甲氧基硅烷，搅拌均匀配制成硅烷水解液；

3)将步骤2)得到的物料和步骤1)得到的物料混合，在搅拌的条件下进行改性反应，改性反应结束后使用定制模具塑形，冷冻干燥，高温退火后得到超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜。

本发明中：

步骤1)中按照纳米纤维素50份，甲基三甲氧基硅烷0.5份，叔丁醇50份、纯净水3份的重量比例；所述的搅拌均匀，是采用磁力搅拌30min；所述的超声条件，其功率100W，时间10min。

步骤2)所述的搅拌均匀，是采用磁力搅拌10min。

步骤3)所述的在搅拌的条件下进行改性反应，是在磁力搅拌下进行改性2h；所述的使用定制模具塑形，其中模具的尺寸R＝6cm，高度是2cm；所述的冷冻干燥，是先置于冰箱中，-20℃预冻6h，然后置于-56℃设备干燥48h；所述的高温退火，退火温度80℃，时间2h。

本发明中各组分的作用功效，具体如下：

纳米纤维素：空气净化膜的支撑骨架，过滤效果的基础来源。

甲基三甲氧基硅烷：纳米纤维素疏水改性剂，用于实现纳米纤维素超疏水性能。

叔丁醇：使纳米纤维素在冷冻干燥过程形成均匀、细微的孔隙，改善过滤性能。

盐酸：条件甲基三甲氧基硅烷水解环境pH值，使硅烷稳定水解。

本发明还涉及采用上述超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法得到的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜，密度为0.0119-0.0153g/cm²，孔隙率达到99.0-99.2％，水接触静止角达到138.5°-154.2°、水接触滚动角为5.3°-7.2°，对PM2.5的过滤效率达到99.24-99.73％，且过滤阻力低于100Pa(51-82Pa)，品质因子达到0.076-0.122Pa^-1，符合商用空气过滤材料的需求。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明所述的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，采用化学改性的方式对纳米纤维素进行改性，甲基三甲氧基硅烷的改性增强了纳米纤维素的疏水性能，达到了超疏水的效果(水接触静止角达到138.5°-154.2°、水接触滚动角为5.3°-7.2°)，有利于纳米纤维素空气净化膜对空气中水分的抗干扰能力，并且该方法工艺简单有效，无毒害，无环境污染风险，生产能耗低，易于实现工业化，进一步提升了纳米纤维素工业化应用的潜力。

2、本发明得到的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜，能明显提升纳米纤维素空气净化膜的抗湿过滤性能，并保证了其高效的颗粒物过滤效率，降低颗粒物过滤阻力，和现有的产品相比，抗湿性能提升了约50倍，抗湿过滤阻力升高率低于15％。同时，叔丁醇的加入保留了纳米纤维素高度均匀且细密的孔隙结构，密度为0.0119-0.0153g/cm²，孔隙率达到99.0-99.2％，实现了纳米纤维空气净化膜的高效过滤性能，对PM2.5的过滤效率达到99.24-99.73％，且过滤阻力低于100Pa，品质因子达到0.076-0.122Pa^-1，符合商用空气过滤材料的需求。

【附图说明】

图1是本发明所述的的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法的工艺流程图。

【具体实施方式】

以下结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明。

实施例1：

1)准备纳米纤维素50g，甲基三甲氧基硅烷0.5g，叔丁醇50g，纯净水3g，将纳米纤维素和叔丁醇采用磁力搅拌30min混合均匀，并置于超声条件下均质(功率：100W，时间10min)；

2)将纯净水调整pH＝4，加入甲基三甲氧基硅烷，搅拌均匀(磁力搅拌10min)配制成硅烷水解液；

3)将步骤2)得到的物料和步骤1)得到的物料混合，在磁力搅拌下进行改性反应2h，改性反应结束后使用定制模具(模具的尺寸R＝6cm，高度是2cm)塑形，冷冻干燥(先置于冰箱中，-20℃预冻6h，然后置于-56℃设备干燥48h)，高温退火(退火温度80℃，时间2h)后得到超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜；

得到的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜，密度为0.0123g/cm²，孔隙率达到99.1％，水接触静止角达到147.8°、水接触滚动角为6.4°，对PM2.5的过滤效率达到99.56％，且过滤阻力为51Pa，品质因子达到0.107Pa^-1。

实施例2：

1)准备纳米纤维素40g，甲基三甲氧基硅烷1g，叔丁醇40g，纯净水4g，将纳米纤维素和叔丁醇采用磁力搅拌30min混合均匀，并置于超声条件下均质(功率：100W，时间10min)；

得到的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜，密度为0.0151g/cm²，孔隙率达到99.0％，水接触静止角达到154.2°、水接触滚动角为5.3°，对PM2.5的过滤效率达到99.73％，且过滤阻力为82Pa，品质因子达到0.076Pa^-1。

实施例3：

1)准备纳米纤维素60g，甲基三甲氧基硅烷0.1g，叔丁醇60g，纯净水2g，将纳米纤维素和叔丁醇采用磁力搅拌30min混合均匀，并置于超声条件下均质(功率：100W，时间10min)；

得到的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜，密度为0.0119g/cm²，孔隙率达到99.2％，水接触静止角达到138.5°、水接触滚动角为7.2°，对PM2.5的过滤效率达到99.24％，且过滤阻力为52Pa，品质因子达到0.122Pa^-1。

实施例；工艺筛选：

表1物料配料表

不同的工艺技术方案如下所示：

(1)取40％的纳米纤维素置于烧杯内，加入40％叔丁醇在磁力搅拌的作用下，搅拌30min使其混合均匀，后在经过超声(功率：30％，时间10min)进行均质处理。单独配置甲基三甲氧基硅烷，先取适量去离子水于烧杯内，用盐酸调节水溶液pH＝4，然后滴加1％的甲基三甲氧基硅烷使在磁力搅拌的作用下水解10min，得到甲基三甲氧基硅烷水解液后保留备用。将适量甲基三甲氧基硅烷水解液添加到纳米纤维素/叔丁醇混合溶液中，在磁力搅拌的作用下进行改性2h，改性完成之后倒入定制的模具(R＝6cm)中，然后置于冰箱中(-20℃)中预冻6h，之后进行冷冻干燥(-56℃、48h)，冷冻干燥后的样品取出并密封，置于80℃的高温烘箱中退火处理2h即得最终样品。

(2)与(1)不同之处在于配料比不同，相应的配料为：40％纳米纤维素，50％叔丁醇。

(3)与(1)不同之处在于配料比不同，相应的配料为：40％纳米纤维素，59％叔丁醇。

(4)与(1)不同之处在于配料比不同，相应的配料为：50％纳米纤维素，40％叔丁醇。

(5)与(1)不同之处在于配料比不同，相应的配料为：50％纳米纤维素，50％叔丁醇。

(6)与(1)不同之处在于配料比不同，相应的配料为：50％纳米纤维素，59％叔丁醇。

(7)与(1)不同之处在于配料比不同，相应的配料为：60％纳米纤维素，40％叔丁醇。

(8)与(1)不同之处在于配料比不同，相应的配料为：60％纳米纤维素，50％叔丁醇。

(9)与(1)不同之处在于配料比不同，相应的配料为：60％纳米纤维素，59％叔丁醇。

本发明的关键技术在于考察了不同配料比对纳米纤维素空气净化膜疏水改性及抗湿过滤的影响效果，通过配料比的变化构建了不同密度和疏水性能的空气净化膜；叔丁醇配料比的增加使空气净化膜的密度得到有效的降低，进一步优化了空气净化膜的孔隙结构，提升比表面积，提升了在不同空气环境下颗粒物的基础过滤效果；纳米纤维素配料比的不同主要影响了空气净化膜的疏水性能，通过优化空气净化膜的水接触角提升其抗水分干扰能力，有效降低了冷凝湿空气导致过滤阻力升高的问题，可实现纳米纤维素空气净化膜在高湿度空气下稳定过滤的效果。

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

1.超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，其特征在于：步骤1)中按照纳米纤维素50份，甲基三甲氧基硅烷0.5份，叔丁醇50份、纯净水3份的重量比例。

3.根据权利要求1所述的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的搅拌均匀，是采用磁力搅拌30min。

4.根据权利要求1所述的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述的超声条件，其功率100W，时间10min。

5.根据权利要求1所述的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，其特征在于：步骤2)所述的搅拌均匀，是采用磁力搅拌10min。

6.根据权利要求1所述的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的在搅拌的条件下进行改性反应，是在磁力搅拌下进行改性2h。

7.根据权利要求1所述的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的使用定制模具塑形，其中模具的尺寸R＝6cm，高度是2cm。

8.根据权利要求1所述的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法，其特征在于：步骤3)所述的冷冻干燥，是先置于冰箱中，-20℃预冻6h，然后置于-56℃设备干燥48h；所述的高温退火，退火温度80℃，时间2h。

9.超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述的超疏水纳米纤维素抗湿空气净化膜的制备方法得到。