CN114657704B - 静电纺丝法制备的乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜及其方法和应用 - Google Patents

静电纺丝法制备的乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜及其方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于纳米纤维膜领域，涉及一种静电纺丝法制备的乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜及其方法和应用。步骤为：（1）将干燥后的聚丙烯腈和乙烯脲加入N‑N二甲基甲酰胺中，经搅拌得静电纺丝溶液；（2）步骤（1）的静电纺丝溶液经静电纺丝得纳米纤维膜，然后将纳米纤维膜烘干除溶剂得乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜。将静电纺丝法和化学净化甲醛法结合，利用聚合物超细纤维便于成型，且较高的比表面积可以吸附甲醛气体，提高乙烯脲周围的甲醛气体浓度，提高催化效率的优点，制备高效净化甲醛功能纳米纤维。

Description

静电纺丝法制备的乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜及其 方法和应用
技术领域
本发明属于纳米纤维膜领域，涉及一种静电纺丝法制备的乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜及其方法和应用。
背景技术
甲醛是世界上公认的有害气体，具有致癌的危害，还会导致支气管疾病的发生，如哮喘等，在吸入甲醛后，会导致人出现头晕、恶心呕吐以及胸闷等症状，严重时，还会导致记忆力的衰退。针对不同的甲醛污染类型，其治理方式包括活性炭物理吸附、光催化氧化、等离子体分解、化学反应和生物降解等除甲醛技术。然而，在上述的除甲醛方法中，化学反应除甲醛技术适用范围广，除甲醛效率最高，且成本低，加之操作方便，所以该技术被广泛应用于甲醛污染治理。最常用的甲醛捕捉剂是乙烯脲，又称2-咪唑烷酮，常温下为白色固体，易溶于水及其他极性溶剂，难溶于非极性有机溶剂。乙烯脲具有与醛发生反应的活性基团，能够捕捉甲醛发生消醛反应，可用作甲醛捕捉剂。将乙烯脲水溶液喷洒在人造板表面或人造板制家具或人造板装修物表面可以暂时起到一定的甲醛捕捉剂的作用。然而向家具等表面喷洒乙烯脲溶液很可能出现家具表面留痕，严重时甚至会出现家具表面损坏。且在喷洒过程中乙烯脲小液滴飘散在空气中，容易造成室内空气二次污染。
如果能将乙烯脲负载在织物或者纤维材料上来使用则是一种非常安全健康的使用方式。通过静电纺丝技术制备纤维材料是近十几年来世界材料科学技术领域重要的学术与技术活动之一。静电纺丝以其纺丝成本低廉、制造装置简单、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，是有效制备纳米纤维材料的主要途径。静电纺丝技术已经制备了种类繁多的纳米纤维，包括有机、有机/无机复合和无机纳米纤维。
本课题组致力于研究如何将静电纺丝法和化学净化甲醛法结合，将乙烯脲负载在织物或纤维上，制备一种高甲醛消除率的纳米纤维膜。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种静电纺丝法制备的乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜及其方法和应用。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，具体包括以下步骤：
（1）纺丝溶液配制；
将聚丙烯腈原料放入烘箱中，在50-70℃温度条件下烘干6-8小时，将干燥后的聚丙烯腈和乙烯脲添加进N-N二甲基甲酰胺中，在60℃条件下搅拌6-10h，得到静电纺丝溶液，其中聚丙烯腈的质量分数为8-16%，乙烯脲质量分数为4%-10%；
（2）静电纺丝；
将步骤（1）中所得的静电纺丝溶液转移至注射器中进行静电纺丝得到纳米纤维膜；然后将得到的纳米纤维膜转移至鼓风恒温箱中，进行40-60℃烘干6-12h除去溶剂。静电纺丝条件为：静电纺丝正电压为12-20kV，流量为0.08-0.1ml/h，静电纺丝接收距离为10-20cm，室内环境湿度为25-40%，用铝箔作为接收基底。
本发明具有以下有益效果：
1、将静电纺丝法和化学净化甲醛法结合，利用聚合物超细纤维便于成型，且较高的比表面积可以吸附甲醛气体，提高乙烯脲周围的甲醛气体浓度，提高催化效率的优点，制备高效净化甲醛功能纳米纤维。
2、乙烯脲具有与甲醛发生反应的活性基团，能够捕捉甲醛发生消醛反应，可用作甲醛捕捉剂，反应机理为：
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。同时，乙烯脲可通过与聚丙烯腈分子发生强相互作用，增加两者之间的相容性，使静电纺丝能够顺利进行。
3、将乙烯脲共混制备纤维材料上来使用是一种非常安全健康的除甲醛方式，一方面能避免喷洒乙烯脲给家具和室内环境造成危害，另一方面纤维具有发达的比表面积，能够使乙烯脲充分铺展，保证甲醛分子和乙烯脲充分接触，更加有效的对甲醛进行捕捉。
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。
图1为实施例1的样品照片.
图2为PAN（a曲线）、乙烯脲（b曲线）及实施例1（c）的红外光谱图。
图3为PAN（a）、乙烯脲（b）及实施例1（C）的XRD谱图。
图4为实施例1得到的纳米纤维膜的扫描电镜图，a放大倍数为1000倍，b放大倍数为5000倍。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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付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。
实施例1
本实施例的一种静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，包括以下步骤：
将聚丙烯腈原料放入烘箱中，在50℃温度条件下烘干8小时，取16克干燥后的聚丙烯腈和4克乙烯脲添加进80克N-N二甲基甲酰胺溶液中，在60℃条件下搅拌10h，得到静电纺丝溶液；
将所得的静电纺丝溶液转移至注射器中进行静电纺丝得到纳米纤维膜；然后得到的纳米纤维膜转移至鼓风恒温箱中，进行60℃烘干6小时除去溶剂。静电纺丝条件为：静电纺丝正电压为20kV，流量为0.08ml/h，静电纺丝接收距离为10cm，室内环境湿度为25%，用铝箔作为接收基底。
制得的乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜，样品如图1所示。其红外光谱图如图2所示，图2中PAN（a曲线）、乙烯脲（b曲线）及实施例1（c），可知实施例1中的红外谱图中除了出现PAN、乙烯脲各自的特征峰以外，还在3410 cm-1出现了一个新峰，这说明PAN和乙烯脲之间有强烈的相互作用，具有良好的相容性。由图3的XRD谱图PAN（a）、乙烯脲（b）及实施例1（C），可知实施例1中的XRD谱图上只出现了PAN的特征峰，说明乙烯脲均匀分散于PAN基体中，这种良好的相容性使共混溶液具有较好的可纺性。
图4为实施例1得到的纳米纤维膜的扫描电镜图，a放大倍数为1000倍，b放大倍数为5000倍，从图中可以看到纤维结构比较均匀。
将制备好的除甲醛纳米纤维膜按照国标QB-T 2761-2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》搭建实验装置，进行实验测试。可得所述的除甲醛纳米纤维膜在24小时内对甲醛的去除率达到80%。
实施例2
本实施例的一种静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，包括以下步骤：
将聚丙烯腈原料放入烘箱中，在70℃温度条件下烘干6小时，取14克干燥后的聚丙烯腈和8克乙烯脲添加进80克N-N二甲基甲酰胺溶液中，在50℃条件下搅拌6h，得到静电纺丝溶液；
将所得的静电纺丝溶液转移至注射器中进行静电纺丝得到纳米纤维膜；然后得到的纳米纤维膜转移至鼓风恒温箱中，进行40℃烘干12小时除去溶剂。静电纺丝条件为：静电纺丝正电压为12kV，流量为0.1ml/h，静电纺丝接收距离为20cm，室内环境湿度为40%，用铝箔作为接收基底。将制备好的除甲醛纳米纤维膜按照国标QB-T 2761-2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》搭建实验装置，进行实验测试。可得所述的除甲醛纳米纤维膜在24小时内对甲醛的去除率达到87%。
实施例3
本实施例的一种静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，包括以下步骤：
将聚丙烯腈原料放入烘箱中，在60℃温度条件下烘干7小时，取10克干燥后的聚丙烯腈10克乙烯脲添加进80克N-N二甲基甲酰胺溶液中，在55℃条件下搅拌8h，得到静电纺丝溶液；
将所得的静电纺丝溶液转移至注射器中进行静电纺丝得到纳米纤维膜；然后得到的纳米纤维膜转移至鼓风恒温箱中，进行50℃烘干8小时除去溶剂。静电纺丝条件为：静电纺丝正电压为16kV，流量为0.09ml/h，静电纺丝接收距离为16cm，室内环境湿度为30%，用铝箔作为接收基底。将制备好的除甲醛纳米纤维膜按照国标QB-T 2761-2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》搭建实验装置，进行实验测试。可得所述的除甲醛纳米纤维膜在24小时内对甲醛的去除率达到93%。
实施例4
本实施例的一种静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，包括以下步骤：
将聚丙烯腈原料放入烘箱中，在65℃温度条件下烘6.5小时，取14克干燥后的聚丙烯腈6克乙烯脲添加进80克N-N二甲基甲酰胺溶液中，在58℃条件下搅拌8h，得到静电纺丝溶液；
将所得的静电纺丝溶液转移至注射器中进行静电纺丝得到纳米纤维膜；然后得到的纳米纤维膜转移至鼓风恒温箱中，进行50℃烘干10小时除去溶剂。静电纺丝条件为：静电纺丝正电压为17kV，流量为0.095ml/h，静电纺丝接收距离为18cm，室内环境湿度为35%，用铝箔作为接收基底。将制备好的除甲醛纳米纤维膜按照国标QB-T 2761-2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》搭建实验装置，进行实验测试。可得所述的除甲醛纳米纤维膜在24小时内对甲醛的去除率达到86%。
实施例5
本实施例的一种静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，包括以下步骤：
将聚丙烯腈原料放入烘箱中，在67℃温度条件下烘干6小时，取13克干燥后的聚丙烯腈和7克乙烯脲添加进80克N-N二甲基甲酰胺溶液中，在58℃条件下搅拌8h，得到静电纺丝溶液；
将所得的静电纺丝溶液转移至注射器中进行静电纺丝得到纳米纤维膜；然后得到的纳米纤维膜转移至鼓风恒温箱中，进行50℃烘干10小时除去溶剂。静电纺丝条件为：静电纺丝正电压为16kV，流量为0.092ml/h，静电纺丝接收距离为17cm，室内环境湿度为30%，用铝箔作为接收基底。将制备好的除甲醛纳米纤维膜按照国标QB-T 2761-2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》搭建实验装置，进行实验测试。可得所述的除甲醛纳米纤维膜在24小时内对甲醛的去除率达到88%。
实施例6
本实施例的一种静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，包括以下步骤：
将聚丙烯腈原料放入烘箱中，在58℃温度条件下烘干7.5小时，取12.5克干燥后的聚丙烯腈和7.5克乙烯脲添加进80克N-N二甲基甲酰胺中，在56℃条件下搅拌9h，得到静电纺丝溶液；
将所得的静电纺丝溶液转移至注射器中进行静电纺丝得到纳米纤维膜；然后将得到的纳米纤维膜转移至鼓风恒温箱中，进行42℃烘干12h除去溶剂。静电纺丝条件为：静电纺丝正电压为13kV，流量为0.1ml/h，静电纺丝接收距离为12cm，室内环境湿度为33%，用铝箔作为接收基底将制备好的除甲醛纳米纤维膜按照国标QB-T 2761-2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》搭建实验装置，进行实验测试。可得所述的除甲醛纳米纤维膜在24小时内对甲醛的去除率达到90%。
实施例7
本实施例的一种静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，包括以下步骤：
将聚丙烯腈原料放入烘箱中，在60℃温度条件下烘干7小时，取10克干燥后的聚丙烯腈10克乙烯脲添加进80克N-N二甲基甲酰胺溶液中，在55℃条件下搅拌7h，得到静电纺丝溶液；
将所得的静电纺丝溶液转移至注射器中进行静电纺丝得到纳米纤维膜；然后得到的纳米纤维膜转移至鼓风恒温箱中，进行50℃烘干9.5小时除去溶剂。静电纺丝条件为：静电纺丝正电压为17kV，流量为0.09ml/h，静电纺丝接收距离为13cm，室内环境湿度为30%，用铝箔作为接收基底。将制备好的除甲醛纳米纤维膜按照国标QB-T 2761-2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》搭建实验装置，进行实验测试。可得所述的除甲醛纳米纤维膜在24小时内对甲醛的去除率达到94%。
实施例8
本实施例的一种静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，包括以下步骤：
将聚丙烯腈原料放入烘箱中，在70℃温度条件下烘干6小时，取13.5克干燥后的聚丙烯腈和6.5克乙烯脲添加进80克N-N二甲基甲酰胺溶液中，在50℃条件下搅拌6h，得到静电纺丝溶液；
将所得的静电纺丝溶液转移至注射器中进行静电纺丝得到纳米纤维膜；然后得到的纳米纤维膜转移至鼓风恒温箱中，进行40℃烘干12小时除去溶剂。静电纺丝条件为：静电纺丝正电压为14kV，流量为0.1ml/h，静电纺丝接收距离为19cm，室内环境湿度为40%，用铝箔作为接收基底。将制备好的除甲醛纳米纤维膜按照国标QB-T 2761-2006《室内空气净化产品净化效果测定方法》搭建实验装置，进行实验测试。可得所述的除甲醛纳米纤维膜在24小时内对甲醛的去除率达到89%。
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 (6)

1.静电纺丝法制备乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜的方法，其特征在于，步骤为：
（1）将干燥后的聚丙烯腈和乙烯脲加入N-N二甲基甲酰胺中，经搅拌得静电纺丝溶液；静电纺丝溶液中聚丙烯腈的质量分数为8-16%wt；乙烯脲质量分数为4-10%wt；
（2）步骤（1）的静电纺丝溶液经静电纺丝得纳米纤维膜，然后将纳米纤维膜烘干除溶剂得乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中干燥的条件为50-70℃烘干6-8小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（2）中静电纺丝的参数为：正电压为12-20kV，流量为0.08-0.1ml/h，静电纺丝接收距离为10-20cm，室内环境湿度为25-40%，以铝箔作为接收基底。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中烘干除溶剂的温度为40-60℃处理6-12h。
5.权利要求1-4任一项所述的方法制备的乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜。
6.权利要求5所述的乙烯脲/聚丙烯腈除甲醛纳米纤维膜在制备除甲醛产品中的应用。
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