CN104815485A - 一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料及其制备方法，其是由荷电聚合物通过纺丝制得的，或者由中性聚合物经过纺丝、电晕荷电制得的。本发明所述空气过滤材料的清灰效率达95％以上，且透明度、透气性和机械强度优良，而且使用普通的静电除尘刷或者配对的电荷发生器即可进行清灰再生，制备工艺简单、绿色环保，在静电过滤、特别是在室内空气净化用过滤窗上具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料及其制备方法，特别是涉及一种室内空气净化过滤窗用透明荷电纳米纤维及其制备方法。
背景技术
大气环境中的粉尘分为降尘和飘尘两种。所谓降尘是指大气中污染物由自身的重量而沉降的物质。所谓飘尘就是指尘粒在10μm以下的浮游颗粒。粉尘中尤其是0.5～5μm的飘尘对人的危害最大，因为这类飘尘中含有多种有毒金属或致癌物。随着工业和建筑业的迅猛发展，空气中的这些粉尘越来越多，严重威胁到人的身体健康。鉴于这种情况，近年来空气过滤材料得到了迅速发展，室内空气净化尤为重要。
目前，现有的空气过滤材料以聚丙烯、聚丙烯腈等为主，过滤效果较好，但都以拦截效应、惯性沉积、重力沉降等作用为主，没有涉及到应用静电过滤除尘的，关于空气过滤材料清灰再生的性能报道也比较少。最重要的一点是，作为室内空气净化的空气过滤材料要有良好的透光率和透气性能，目前市售的这些材料都达不到这些要求。关于静电吸尘窗已有报道，但其使用的是高压电，不仅能耗大，而且危险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料及其制备方法，透光率高、透气性好、机械强度高，通过静电效应过滤效果更好，且只需通过普通的静电除尘刷即可进行清灰再生。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，是由荷电聚合物通过纺丝制得的，或者由中性聚合物经过纺丝、电晕荷电制得的。
按上述方案，所述的荷电聚合物为含羧基、磺酸基、膦酸基、季铵基的均聚物或者共聚物中的一种，或者几种按任意比的混合物；其中，该均聚物或者共聚物为苯乙烯、丙烯酸、丙烯腈、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯的均聚物或者共聚物，如含磺酸基、膦酸基的聚苯乙烯，含三乙基氯化铵的聚苯乙烯等；或者该均聚物或者共聚物为聚苯醚、聚砜等。所述的荷电聚合物重均分子量为10000-10000000。
按上述方案，所述的中性聚合物为氯乙烯、丙烯、丁二烯、苯乙烯、丙烯腈、丙烯酸酯、α-烯烃、甲基丙烯酸酯的均聚物或者共聚物中的一种或者几种按任意比的混合物；或者所述的中性聚合物为聚醚、聚砜、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、木质素、甲壳素、壳聚糖中的一种或者几种按任意比的混合物。所述的中性荷电聚合物重均分子量为10000-10000000。
按上述方案，所述的纺丝为静电纺丝或熔融纺丝，静电纺丝的参数为：纺丝电压为10～50kV，时间为30min-90min；熔融纺丝的参数为：纺丝温度为200-250℃，时间为45min-75min。
按上述方案，所述的静电纺丝或熔融纺丝时，荷电聚合物或者中性聚合物配制成的质量分数为1-20％的溶液，均可采用的溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺，二氯乙烷、三氯甲烷、四氢呋喃等常规极性溶剂中的一种或者几种按任意比的混合物。
按上述方案，所述的电晕荷电参数为：正极电压为10～40kV，负极电压为5～50kV，电极距离为0.1～4cm。
本发明所制备的透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中，所述纳米纤维的直径为5-800nm，薄膜厚度为0.5-500μm，透光率为50-99.99％，电荷密度为0.5-10uC/m2，透气量为10-20L/m2s，断裂强度60-80MPa。
本发明所述透明荷电纳米纤维空气过滤材料主要制备步骤为纺丝，纺丝所得纳米纤维堆积形成的薄膜，纳米纤维堆积紧密，并且纳米纤维之间的空隙足够小，因而能够有效的阻止光散射，从而保证了空气过滤材料的透明度；而且，空气过滤材料的荷电使得其具备静电过滤性能，其库仑力能实现对颗粒的高效捕获，清灰效率达95％以上，而且使用普通的静电除尘刷或者配对的电荷发生器等就能进行清灰再生，在室内空气净化过滤窗上具有良好的应用前景。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所述的空气过滤材料主要是由纳米纤维组成，与普通的过滤材料相比，通过纳米纤维的紧密堆积能大大降低光散射，从而保证了其高的透光率；
(2)与中性过滤材料相比，本发明所得空气过滤材料的荷电能提高对粉尘的吸收效率，此外由于存在静电作用，使用普通的静电除尘刷即可实现对该空气过滤材料的清灰再生，延长使用寿命；
(3)本发明所得空气过滤材料机械强度高，不易被破坏，透气量高，有利于室内空气的流通，对粉尘的去除率高，且制备工艺简单，绿色环保。
附图说明
图1为实施例1所得空气过滤材料的扫描电镜图片(左图为高倍率，右图为低倍率)；
图2为实施例1所得空气过滤材料的实物照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量为10000000的磺化聚苯乙烯溶解于溶剂中配成质量分数为20％的聚合物溶液，所用溶剂为质量比为1:1的四氢呋喃和三氯甲烷的混合溶液，然后在50kV的条件下静电纺丝90min，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，如图1所示，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的平均直径为800nm；所得过滤薄膜如图2所示，厚度为500μm，透光率为50.56％，具有较好的透光性能。
实施例2
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量为10000的聚甲基丙烯酸溶解于N,N-二甲基乙酰胺配成质量分数为1％的聚合物溶液，在10kV的条件下静电纺丝30min，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的直径为5nm，薄膜的厚度为0.5μm。
实施例3
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量为5000000的聚苯乙烯三乙基苄基氯化铵溶解于二氯乙烷配成质量分数为6％的聚合物溶液，在200℃的条件下熔融纺丝45min，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的直径为400nm，空气过滤材料的厚度为200μm。
实施例4
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量为10000的聚氯乙烯溶解于N,N-二甲基甲酰胺配成质量分数为4％的聚合物溶液，在40kV的条件下静电纺丝35min，然后在正极10kV、负极5kV、电极距离0.1cm的条件下进行电晕荷电，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的直径为20nm，空气过滤材料的厚度为2μm。
实施例5
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量为5000000的丁二烯、苯乙烯、丙烯腈共聚物(即常用的ABS树脂，其中共聚单体丁二烯、苯乙烯、丙烯腈质量比为1:2:1)溶解于三氯甲烷配成质量分数为6％的聚合物溶液，在250℃的条件下熔融纺丝75min，再在正极30kV、负极10kV、电极距离2cm的条件下进行电晕荷电，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的直径为600nm，过滤材料的厚度为300μm。
实施例6
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量为5000000的甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯共聚物(其中，单体甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸甲酯的质量比2:1)溶解于三氯甲烷配成质量分数为3％的聚合物溶液，在20kV的条件下静电纺丝80min，再在正极10kV、负极50kV、电极距离1cm的条件下进行电晕荷电，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的直径为400nm，过滤材料的厚度为100μm。
实施例7
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量都为1000000的聚苯醚和聚醚砜(其中，聚苯醚与聚醚砜的质量比为1:2)溶解于三氯甲烷配成质量分数为18％的聚合物溶液，在50kV的条件下静电纺丝30min，再在正极40kV、负极10kV、电极距离2cm的条件下进行电晕荷电，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的直径为200nm，过滤材料的厚度为10μm。
实施例8
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量为9000000的聚酰亚胺和重均分子量为10000的聚醚醚酮(聚酰亚胺与聚醚醚酮的质量比为1:1)溶解于三氯甲烷配成质量分数为2％的聚合物溶液，在20kV的条件下静电纺丝50min，再在正极10kV、负极5kV、电极距离3cm的条件下进行电晕荷电，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的直径为40nm，过滤材料的厚度为150μm。
实施例9
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量为3000000的聚四氟乙烯和重均分子量为500000的聚偏氟乙烯(其中，聚四氟乙烯与聚偏氟乙烯的质量比为1:3)溶解于四氢呋喃配成质量分数为10％的聚合物溶液，在35kV的条件下静电纺丝65min，再在正极20kV、负极40kV、电极距离0.5cm的条件下进行电晕荷电，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的直径为300nm，过滤材料的厚度为500μm。
实施例10
一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其制备方法具体步骤为：将重均分子量为5000000的聚对苯二甲酸乙二酯、重均分子量为500000的聚己内酰胺、重均分子量为50000的聚氨基甲酸酯(其中，聚对苯二甲酸乙二酯、聚己内酰胺和聚氨基甲酸酯质量比为1:1:1)溶解于四氢呋喃配成质量分数为10％的聚合物溶液，在230℃的条件下熔融纺丝60min，再在正极10kV、负极5kV、电极距离1.5cm的条件下进行电晕荷电，即得到透明荷电纳米纤维空气过滤材料。
经电镜观察，所得透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中纳米纤维的直径为500nm，过滤材料的厚度为300μm。
性能测试：
将实施例1-10所制备的空气过滤材料进行性能测试，包括透光率、电荷密度、透气量、机械强度、过滤效率和再生强度，测试结果如表1所示。其中，透光率测定：用紫外可见分光光度计测定过滤材料的透光率，测定的范围为400-800nm，总体透光率取平均值；电荷密度：采用法拉第筒法，用电荷测试仪测定过滤材料的电荷密度；透气量：利用织物透气量测定仪测定过滤材料的透气性能；机械强度：利用万能拉力试验机进行测定；过滤效率：利用滤料测试仪测定PM2.5粒子清除率；再生效率：用静电除尘刷或者配对的电荷发生器清灰，再生效率为清灰前后过滤材料上灰尘质量变化率。
表1
由上表可知，本发明所得纳米纤维空气过滤材料对粒径小于2.5微米微粒的过滤效率都在95％以上，符合过滤材料的效率要求，再生效率也在95％以上；并且，该空气过滤材料的断裂强度高，透明度和透气性能良好，透光率为50-99.99％，电荷密度为0.5-10uC/m2，透气量为10-20L/m2s，断裂强度60-80MPa，可以根据实际需求调整聚合物的种类以及纺丝参数等，以满足不同情况下对于透光率、电荷密度、透气量和断裂强度的需求，在室内空气净化过滤纱窗上有良好的应用前景。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于它是由荷电聚合物通过纺丝制得的，或者由中性聚合物经过纺丝、电晕荷电制得的。
2.根据权利要求1所述的一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于所述的荷电聚合物为含羧基、磺酸基、膦酸基、季铵基的均聚物或者共聚物中的一种，或者几种按任意比的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于所述的荷电聚合物重均分子量为10000-10000000。
4.根据权利要求1所述的一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于所述的中性聚合物为氯乙烯、丙烯、丁二烯、苯乙烯、丙烯腈、丙烯酸酯、α-烯烃、甲基丙烯酸酯的均聚物或者共聚物中的一种或者几种按任意比的混合物；或者所述的中性聚合物为聚醚、聚砜、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、木质素、甲壳素、壳聚糖中的一种或者几种按任意比的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于所述的中性荷电聚合物重均分子量为10000-10000000。
6.根据权利要求1所述的一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于所述的纺丝为静电纺丝或熔融纺丝，静电纺丝的参数为：纺丝电压为10～50kV，时间为30min-90min；熔融纺丝的参数为：纺丝温度为200-250℃，时间为45min-75min。
7.根据权利要求1所述的一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于所述的静电纺丝或者熔融纺丝时，荷电聚合物或者中性聚合物配制成的质量分数为1-20％的溶液，采用的溶剂为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二氯乙烷、三氯甲烷、四氢呋喃中的一种或者几种按任意比的混合物。
8.根据权利要求1所述的一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于所述的电晕荷电参数为：正极电压为10～40kV，负极电压为5～50kV，电极距离为0.1～4cm。
9.根据权利要求1所述的一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于所述的透明荷电纳米纤维空气过滤材料是由纳米纤维堆积而成的薄膜，其中，所述纳米纤维的直径为5-800nm，薄膜厚度为0.5-500μm。
10.根据权利要求1所述的一种透明荷电纳米纤维空气过滤材料，其特征在于所述的透明荷电纳米纤维空气过滤材料透光率为50-99.99％，电荷密度为0.5-10uC/m2，透气量为10-20L/m2s，断裂强度60-80MPa。
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