本發(fā)明屬于空氣過濾材料及其制備領(lǐng)域，特別涉及一種高效低阻靜電紡納米纖維空氣過濾材料及批量化制備方法。

背景技術(shù)：

隨著我國工業(yè)化進程深入和經(jīng)濟快速發(fā)展，空氣污染問題也日益嚴重，尤其是近年來我國各地持續(xù)出現(xiàn)的PM2.5(粒徑小于2.5μm的顆粒)污染，已經(jīng)對人們的身體健康造成嚴重威脅。過濾作為一種防護措施，可以有效抵御污染給人們帶來的不利影響。目前，我國工業(yè)大量使用的是基于玻璃纖維或熔噴非織造布的空氣過濾材料，其對尺寸在微米級以上的顆粒物具有較好的過濾效果，但對亞微米甚至納米級顆粒物過濾效率較差，并且存在過濾阻力大、容塵量小、使用壽命短等問題，因此，急需開發(fā)一種新型高效低阻空氣過濾材料。

靜電紡納米纖維具有纖維直徑小、孔徑小、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)點，將其與基材結(jié)合后可制備得到理想的空氣過濾材料。但由于靜電紡纖維直徑在亞微米尺寸，在實現(xiàn)高效的同時通常伴隨較高的過濾阻力，現(xiàn)有文獻主要通過在紡絲液中加入無機納米顆粒、制備多孔纖維、對納米纖維膜駐極三種方式實現(xiàn)高效低阻。(1)在紡絲液中加入無機納米顆粒，使纖維膜具有多級表面粗糙結(jié)構(gòu)，增大比表面積，同時纖維截面為非圓形，在高效同時降低過濾阻力(N.Wang,Y.S.Si,N.Wang,et al.Multilevel structured polyacrylonitrile/silica nanofibrous membranes for high-performance air filtration[J].Separation and Purification Technology,2014,126:44-51.)。但無機納米顆粒添加量有限，過多的納米顆粒發(fā)生團聚，纖維膜的過濾效率反而降低，并且在使用過程中無機納米顆粒會發(fā)生脫落，對人們健康造成威脅。(2)制備多孔纖維，專利CN103952783A公開了“一種串珠多孔PLA納米纖維及其制備方法”，使用低沸點溶劑，在紡絲過程中，溶劑快速揮發(fā)，誘導射流表面溶液快速相分離與固化，形成串珠狀多孔纖維結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高效低阻。但多孔纖維材料力學性能較差，同時實驗過程中大量低沸點溶劑快速揮發(fā)會危害到人們身體健康。(3)對納米纖維膜駐極，專利CN104289042A公開了“一種靜電紡納米纖維駐極過濾材料及其制備”通過控制無機納米顆粒含量、聚合物溶液溫度以及納米纖維成型瞬間冷卻工藝制備了納米纖維駐極過濾材料，但并未給出該材料長期放置后表面電荷是否逸散的相關(guān)數(shù)據(jù)。駐極材料在儲存和使用過程中，空氣中的水分和微粒會加快駐極材料表面電荷逸散，使駐極效應逐漸衰減，最終導致材料過濾效率下降。靜電紡納米纖維材料產(chǎn)量低一直是制約其工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)難點，以上方法與專利均未解決靜電紡納米纖維過濾材料不能批量化生產(chǎn)的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高效低阻靜電紡納米纖維空氣過濾材料及批量化制備方法，該方法工藝簡單、可控和重復性好，制得的空氣過濾材料具有高效低阻特點，厚度均勻，過濾性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)納米纖維過濾材料的批量化生產(chǎn)，在空氣過濾領(lǐng)域有非常好的應用前景。

本發(fā)明的一種高效低阻靜電紡納米纖維空氣過濾材料，所述過濾材料為紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，納米纖維為靜電紡納米纖維/微球復合膜，其中靜電紡納米纖維/微球復合膜結(jié)構(gòu)為：微球嵌入靜電紡納米纖維之間形成的三維立體空腔結(jié)構(gòu)。

所述紡粘非織造布，纖維直徑為1-10μm，克重為10-120g/m²，初始過濾效率為0.1％-5％。

所述靜電紡納米纖維直徑為100-300nm；微球的粒徑為500-800nm。

本發(fā)明的一種高效低阻靜電紡納米纖維空氣過濾材料及批量化制備方法，包括：

(1)將聚合物加入溶劑中，攪拌，得到高濃度的靜電紡絲聚合物溶液；其中靜電紡絲聚合物溶液的質(zhì)量百分濃度為10-40％；

(2)將聚合物加入溶劑中，攪拌，得到低濃度的靜電噴霧聚合物溶液；其中靜電噴霧聚合物溶液的質(zhì)量百分濃度為3-30％；

(3)采用無針式靜電紡絲噴頭，然后通過靜電紡絲與靜電噴霧同步相結(jié)合技術(shù)，制得納米纖維/微球復合膜，以旋轉(zhuǎn)滾筒作為接收裝置，紡粘非織造布為接收基材，得到納米纖維/非織造布復合材料，可通過調(diào)整紡絲時間來調(diào)控靜電紡納米纖維/微球復合膜的克重為0.1-10g/m²；

(4)將上述納米纖維/非織造布復合材料表面蓋一層紡粘非織造布，形成紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，然后粘合處理，即得靜電紡納米纖維空氣過濾材料。

所述步驟(1)、(2)中聚合物均為聚丙烯腈、聚氨酯、聚砜、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚氧化乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚己內(nèi)酯、聚己內(nèi)酰胺、殼聚糖中的一種或幾種；溶劑均為N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、丙酮、四氫呋喃、二氯甲烷、三氯甲烷、六氟異丙醇、甲酸、乙酸、乙醇中的一種或幾種。

所述步驟(1)、(2)中攪拌均為磁力攪拌10-12h。

步驟(3)中使用絕緣材料，將無針式靜電紡絲噴頭表面自中心處分為具有相同面積或長度的2-8部分，分別將靜電紡絲聚合物溶液與靜電噴霧聚合物溶液注入到不同部分，通過靜電紡絲與靜電噴霧同步相結(jié)合技術(shù)進行紡絲。

所述絕緣材料為聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一種。

所述步驟(3)中靜電紡絲與靜電噴霧同步相結(jié)合技術(shù)的具體工藝參數(shù)為：紡絲電壓40-75KV，滾筒轉(zhuǎn)速10-400r/min，噴頭與滾筒間距離10-25cm，噴頭橫移速度10-300cm/min，供液速度20-500mL/h，環(huán)境溫度20-35℃，環(huán)境濕度20-80％。

整個紡絲機密閉，密閉空間中設(shè)有溫度、濕度檢測與自動調(diào)控裝置，紡絲噴頭與橫移機構(gòu)相連，紡絲噴頭與輸液管相連，輸液管另一端連接供液裝置，整個紡絲過程中，供液裝置持續(xù)穩(wěn)定地向噴頭供液，確保紡絲連續(xù)進行，實現(xiàn)靜電紡納米纖維材料批量化生產(chǎn)。

所述步驟(4)中粘合處理為超聲波粘合，該粘合方式對納米纖維的破壞小，處理后的復合材料仍能保持高效低阻特點，同時濾材的強力有了較大提高。

本發(fā)明采用無針式靜電紡絲噴頭，通過靜電紡絲與靜電噴霧同步相結(jié)合技術(shù)，創(chuàng)新性的制備了靜電紡納米纖維/微球復合膜，一步成型獲得了高效低阻納米纖維過濾材料

本發(fā)明制得的過濾材料具有三維立體空腔結(jié)構(gòu)以及良好的結(jié)構(gòu)可調(diào)控性，過濾材料長度為1.6m，幅寬為0.6m，生產(chǎn)一張濾材所用時間為20-30min，該過濾材料對數(shù)量中值直徑為75nm的顆粒過濾效率可達99.99％，過濾阻力為50-150Pa，通過本發(fā)明提供的方法對納米纖維膜結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后，與普通納米纖維過濾材料相比，在相同過濾效率下，過濾阻力降低了35％。

有益效果

(1)本發(fā)明通過靜電紡絲與靜電噴霧同步相結(jié)合技術(shù)，聚合物高濃度溶液經(jīng)過靜電紡絲后形成直徑在100-300nm的纖維，可作為纖維膜支撐結(jié)構(gòu)。聚合物低濃度溶液經(jīng)過靜電噴霧后形成直徑在500-800nm的微球，微球嵌入納米纖維之間，增大纖維與纖維間的距離，形成三維立體空腔結(jié)構(gòu)，降低過濾阻力，聚合物低濃度溶液在形成微球的同時會形成直徑在80nm左右的超細納米纖維，在降低濾阻的同時提高過濾效率，一步成型獲得了高效低阻納米纖維過濾材料；

(2)本發(fā)明采用無針式靜電紡絲噴頭，避免了多個單針頭靜電紡絲針頭與針頭之間電場相互干擾，導致制得的纖維膜均勻性差的問題；本發(fā)明提供的制備方法，制得的納米纖維膜厚度均勻，過濾性能穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，制備一張長度為1.6m，幅寬為0.6m的納米過濾材料所需時間僅為20-30min，可實現(xiàn)靜電紡納米纖維空氣過濾材料的批量化生產(chǎn)；

(3)本發(fā)明工藝參數(shù)簡單可控，制備的納米纖維過濾材料具有良好的結(jié)構(gòu)可調(diào)控性，可通過調(diào)節(jié)靜電紡絲與靜電噴霧聚合物溶液的射流比例實現(xiàn)對纖維材料堆砌密度、孔徑和孔隙率的精確調(diào)控；

(4)本發(fā)明制備的納米纖維過濾材料孔徑小、孔隙率大，微球的存在使得該材料具有三維立體空腔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使其在實際使用過程中具有較大的容塵量，延長了過濾材料的使用壽命，具有良好的實際應用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高效低阻靜電紡納米纖維空氣過濾材料制備流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例1中制備的高效低阻靜電紡納米纖維/微球復合膜的SEM電鏡圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

實施例1

過濾材料為紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，納米纖維為靜電紡納米纖維/微球復合膜，其中靜電紡納米纖維/微球復合膜結(jié)構(gòu)為：微球嵌入靜電紡納米纖維之間形成的三維立體空腔結(jié)構(gòu)；其中納米纖維直徑為139nm；微球的粒徑為658nm；靜電紡納米纖維/微球復合膜的克重為1.08g/m²。所用紡粘非織造布，其組成纖維直徑為5μm，克重為25g/m²，紡粘非織造布初始過濾效率為0.2％。

一種高效低阻靜電紡納米纖維空氣過濾材料及批量化制備方法，具體步驟為：

第一步：將聚丙烯腈粉末置于真空干燥箱中，在70℃下真空干燥8小時；

第二步：將干燥后的聚丙烯腈粉末溶于N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，在磁力攪拌器上攪拌12小時，配成質(zhì)量分數(shù)為10wt％的聚丙烯腈高濃度溶液；

將干燥后的聚丙烯腈粉末溶于N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，在磁力攪拌器上攪拌12小時，配成質(zhì)量分數(shù)為5wt％的聚丙烯腈低濃度溶液；

第三步：采用傘狀紡絲噴頭(CN103088443A)，使用聚四氟乙烯薄板將噴頭表面自中心處分為具有相同圓周長度的兩部分，使用供液裝置，使噴頭表面左半部分注滿10wt％的聚丙烯腈高濃度溶液，噴頭表面右半部分注滿5wt％的聚丙烯腈低濃度溶液，通過靜電紡絲與靜電噴霧同步相結(jié)合技術(shù)，制備得到納米纖維/微球復合膜。以紡粘非織造布為接收基材，整個紡絲過程在密閉的空間中進行，紡絲電壓65KV，滾筒轉(zhuǎn)速70r/min，噴頭與滾筒間距離20cm，噴頭橫移速度120cm/min，供液速度50mL/h，環(huán)境溫度23℃，環(huán)境濕度25％，紡絲時間20min；

第四步：在第三步得到的納米纖維/紡粘非織造布材料上表面再蓋一層非織造布，形成紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)過超聲波粘合處理后得到靜電紡納米纖維空氣過濾材料。

所述納米纖維空氣過濾材料對數(shù)量中值直徑為75nm顆粒的過濾效率可達99.99％，過濾阻力為130.7Pa。

實施例2

過濾材料為紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，納米纖維為靜電紡納米纖維/微球復合膜，其中靜電紡納米纖維/微球復合膜結(jié)構(gòu)為：微球嵌入靜電紡納米纖維之間形成的三維立體空腔結(jié)構(gòu)；其中納米纖維直徑為204nm；微球的粒徑為569nm；靜電紡納米纖維/微球復合膜的克重為1.25g/m²。所用紡粘非織造布，其組成纖維直徑為5μm，克重為30g/m²，紡粘非織造布初始過濾效率為0.2％。

一種高效低阻靜電紡納米纖維空氣過濾材料及批量化制備方法，具體步驟為：

第一步：將聚丙烯腈粉末置于真空干燥箱中，在70℃下真空干燥8小時；

第二步：將干燥后的聚丙烯腈粉末溶于二甲基亞砜溶劑中，在磁力攪拌器上攪拌12小時，配成質(zhì)量分數(shù)為12wt％的聚丙烯腈高濃度溶液；

將干燥后的聚丙烯腈粉末溶于二甲基亞砜溶劑中，在磁力攪拌器上攪拌12小時，配成質(zhì)量分數(shù)為6wt％的聚丙烯腈低濃度溶液；

第三步：采用傘狀紡絲噴頭(CN103088443A)，使用聚四氟乙烯薄板將噴頭表面自中心處分為具有相同圓周長度的四部分，使用供液裝置，使噴頭其中一部分注滿12wt％的聚丙烯腈高濃度溶液，另外三部分注滿6wt％的聚丙烯腈低濃度溶液，通過靜電紡絲與靜電噴霧同步相結(jié)合技術(shù)，制備得到納米纖維/微球復合膜。以紡粘非織造布為接收基材，整個紡絲過程在密閉的空間中進行，紡絲電壓60KV，滾筒轉(zhuǎn)速100r/min，噴頭與滾筒之間距離15cm，噴頭橫移速度80cm/min，供液速度40mL/h，環(huán)境溫度25℃，環(huán)境濕度30％，紡絲時間30min；

第四步：在第三步得到的納米纖維/紡粘非織造布材料上表面再蓋一層非織造布，形成紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)過超聲波粘合處理后得到靜電紡納米纖維空氣過濾材料。

所述納米纖維空氣過濾材料對數(shù)量中值直徑為75nm顆粒的過濾效率可達99.91％，過濾阻力為102.8Pa。

實施例3

過濾材料為紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，納米纖維為靜電紡納米纖維/微球復合膜，其中靜電紡納米纖維/微球復合膜結(jié)構(gòu)為：微球嵌入靜電紡納米纖維之間形成的三維立體空腔結(jié)構(gòu)；其中納米纖維直徑為236nm；微球的粒徑為631nm；靜電紡納米纖維/微球復合膜的克重為1.96g/m²。所用紡粘非織造布，其組成纖維直徑為10μm，克重為30g/m²，紡粘非織造布初始過濾效率為0.1％。

一種高效低阻靜電紡納米纖維空氣過濾材料及批量化制備方法，具體步驟為：

第一步：將聚氨酯顆粒置于真空干燥箱中，在110℃下真空干燥8小時；

第二步：將干燥后的聚氨酯顆粒溶于N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，在磁力攪拌器上攪拌12小時，配成質(zhì)量分數(shù)為35wt％的聚氨酯高濃度溶液；

將干燥后的聚氨酯顆粒溶于N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，在磁力攪拌器上攪拌12小時，配成質(zhì)量分數(shù)為20wt％的聚氨酯低濃度溶液；

第三步：采用一種聚合物纖維批量化生產(chǎn)的靜電紡絲裝置(CN104593880A)，使用多根金屬絲作為靜電紡絲噴頭，使用聚四氟乙烯薄板將儲液槽自中心處分為具有相同長度的兩部分，使用供液裝置，使儲液槽左半部分注滿35wt％的聚氨酯高濃度溶液，儲液槽右半部分注滿20wt％的聚氨酯低濃度溶液，通過靜電紡絲與靜電噴霧同步相結(jié)合技術(shù)，制備得到納米纖維/微球復合膜。以紡粘非織造布為接收基材，整個紡絲過程在密閉的空間中進行，紡絲電壓70KV，滾筒轉(zhuǎn)速120r/min，噴頭與滾筒間距離25cm，噴頭橫移速度100cm/min，供液速度80mL/h，環(huán)境溫度27℃，環(huán)境濕度35％，紡絲時間25min；

第四步：在第三步得到的納米纖維/紡粘非織造布材料上表面再蓋一層非織造布，形成紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)過超聲波粘合處理后得到靜電紡納米纖維空氣過濾材料。

所述納米纖維空氣過濾材料對數(shù)量中值直徑為75nm顆粒的過濾效率可達99.26％，過濾阻力為76.3Pa。

實施例4

過濾材料為紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，納米纖維為靜電紡納米纖維/微球復合膜，其中靜電紡納米纖維/微球復合膜結(jié)構(gòu)為：微球嵌入靜電紡納米纖維之間形成的三維立體空腔結(jié)構(gòu)；其中納米纖維直徑為152nm；微球的粒徑為670nm；靜電紡納米纖維/微球復合膜的克重為1.68g/m²。所用紡粘非織造布，其組成纖維直徑為10μm，克重為35g/m²，紡粘非織造布初始過濾效率為0.2％。

一種高效低阻靜電紡納米纖維空氣過濾材料及批量化制備方法，具體步驟為：

第一步：將聚丙烯腈粉末置于真空干燥箱中，在70℃下真空干燥8小時；將聚偏氟乙烯粉末置于真空干燥箱中，在130℃下真空干燥8小時；

第二步：將干燥后的聚丙烯腈粉末溶于二甲基亞砜溶劑中，在磁力攪拌器上攪拌12小時，配成質(zhì)量分數(shù)為10wt％的聚丙烯腈高濃度溶液；

將干燥后的聚偏氟乙烯粉末溶于N,N-二甲基甲酰胺溶劑中，在磁力攪拌器上攪拌12小時，配成質(zhì)量分數(shù)為6wt％的聚偏氟乙烯低濃度溶液；

第三步：采用一種聚合物纖維批量化生產(chǎn)的靜電紡絲裝置(CN104593880A)，使用多根金屬絲作為靜電紡絲噴頭，使用聚四氟乙烯薄板將儲液槽分為具有相同長度的四部分，使用供液裝置，使儲液槽其中一部分注滿10wt％的聚丙烯腈高濃度溶液，另外三部分注滿6wt％的聚偏氟乙烯低濃度溶液，通過靜電紡絲與靜電噴霧同步相結(jié)合技術(shù)，制備得到納米纖維/微球復合膜。以紡粘非織造布為接收基材，整個紡絲過程在密閉的空間中進行，紡絲電壓55KV，滾筒轉(zhuǎn)速140r/min，噴頭與滾筒之間距離20cm，噴頭橫移速度60cm/min，供液速度30mL/h，環(huán)境溫度25℃，環(huán)境濕度40％，紡絲時間30min；

第四步：在第三步得到的納米纖維/紡粘非織造布材料上表面再蓋一層非織造布，形成紡粘非織造布與納米纖維相間排列的夾層結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)過超聲波粘合處理后得到靜電紡納米纖維空氣過濾材料。

所述納米纖維空氣過濾材料對數(shù)量中值直徑為75nm顆粒的過濾效率可達99.82％，過濾阻力為95.1Pa。