一種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于新材料技術領域，具體涉及一種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料。所述空氣過濾材料包括基材層和過濾層，所述過濾層為負載抗菌劑的納米纖維層，所述過濾層通過原位生長法制得，以非織造布為基材層。本發(fā)明所述空氣過濾材料對PM2.5會產(chǎn)生逐級截留阻隔，能夠高效地攔截PM2.5微小氣溶膠粒子，對于2.5μm的顆粒的過濾效率可以達到100％，對于尺寸為0.5μm和0.3μm的顆粒的過濾效率可以達到99％，空氣阻力為37Pa，克重為22.89g/m2；本發(fā)明所述空氣過濾材料操作簡便易行，充分吸附煙霧后，可以通過水洗除去其上吸附的煙霧粒子，實現(xiàn)多次重復利用。
【專利說明】
一種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于新材料技術領域，具體涉及一種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的發(fā)展，過濾材料已經(jīng)在空氣凈化、水凈化、廢物處理及食品加工等領域得到了廣泛的應用。有報告顯示，中國最大的500個城市中，只有不到1%的城市達到世界衛(wèi)生組織推薦的空氣質(zhì)量標準，與此同時，世界上污染最嚴重的10個城市有7個在中國。作為抵抗霧霾、保護健康的最后一道屏障，過濾材料已成為人們賴以依靠和普遍關注的焦點。
[0003]傳統(tǒng)過濾材料雖對微米級以上的顆粒具有較高的過濾效率，卻難以實現(xiàn)對亞微米級顆粒的有效過濾，且存在抗污能力弱、使用周期短等缺點，已經(jīng)再無法完全滿足人們對高效過濾材料的要求。為彌補傳統(tǒng)過濾材料的不足，新型多功能、高附加值過濾材料的開發(fā)勢在必行。大量研究表明，纖維過濾材料的過濾效率會隨著纖維直徑的降低而顯著提高。因此，降低纖維直徑成為改善纖維過濾材料過濾性能的一種有效方法。
[0004]靜電紡絲技術作為一種可以制備直徑在幾納米到幾微米范圍內(nèi)超細纖維的方法，在纖維過濾材料的制備中已引起了廣泛關注。通過靜電紡絲制備的納米纖維膜具有質(zhì)量輕、滲透性好、比表面積大、孔隙率高等優(yōu)點，內(nèi)部孔隙的連通性好、容易與納米級的物質(zhì)結合，能夠很好地用作過濾材料。靜電紡絲通過駐極作用使帶電的高分子溶液或熔體在靜電場中流動變形，再經(jīng)溶劑揮發(fā)或熔體冷卻而固化。駐極體不僅過濾性能優(yōu)良，而且對微生物還有抑制和殺滅作用。靜電紡絲制得的納米纖維性能優(yōu)異，正逐步替代傳統(tǒng)纖維材料在工業(yè)粉塵過濾、室內(nèi)空氣凈化、機車空氣過濾等方面具有廣闊的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，目的在于提供一種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料。
[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案為:
[0007]—種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，其特征在于，所述空氣過濾材料包括基材層和過濾層，所述過濾層為負載抗菌劑的納米纖維層，所述過濾層通過原位生長法制得，所述基材層為非織造布。
[0008]上述方案中，所述抗菌劑為納米銀，所述納米銀的粒徑為5nm?lOOnm。
[0009]上述方案中，所述納米纖維的直徑為20nm?200nm。
[00?0]上述方案中，所述負載抗菌劑的納米纖維層中抗菌劑的負載量為3wt%?20wt%。
[0011]上述方案中，所述PP非織造布為表面帶有一定電荷的PP熔噴布或PP針織布。
[0012]—種原位生長法制備上述空氣過濾材料的方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0013](I)將聚合物溶解在甲酸和/或乙酸溶劑中，得到靜電紡絲溶液;采用靜電紡絲工藝，以非織造布為基材層制備得到復合在基材層上的納米纖維膜；
[0014](2)納米銀粒子溶液的制備:以硝酸銀為銀前驅體、檸檬酸鈉和硼氫化鈉作為還原劑，或者以硝酸銀為銀前驅體、梓檬酸鈉為還原劑，反應制備得到納米銀粒子溶液；
[0015](3)將納米纖維膜浸沒在納米銀粒子溶液中，置于恒溫震蕩箱進行納米銀原位生長，生長結束后，取出納米纖維膜在真空干燥箱中烘干，得到負載納米銀粒子的納米纖維層；由基材層和復合在其上的納米纖維層構成了空氣過濾材料。
[0016]上述方案中，步驟(I)所述聚合物為含有酰胺基聚合物，具體為聚酰胺6、聚酰胺610、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺1010、聚酰胺56、聚酰胺4、聚酰胺8、聚酰胺9和聚酰胺810中的一種或幾種。
[0017]上述方案中，步驟(2)中所述以硝酸銀為銀前驅體，檸檬酸鈉和硼氫化鈉為還原劑制備納米銀粒子溶液的過程為:先將硝酸銀和檸檬酸鈉加入到去離子水中，常溫下磁力攪拌使完全溶解呈現(xiàn)無色透明液體，再將硼氫化鈉溶于少量去離子水中，加入到無色透明液體中，繼續(xù)攪拌，充分反應后得到納米銀粒子溶液，所述硝酸銀、檸檬酸鈉和硼氫化鈉的質(zhì)量比為1:1?3:1?5;
[0018]上述方案中，步驟(2)中所述以硝酸銀為銀前驅體，檸檬酸鈉為還原劑制備納米銀粒子溶液的過程為:將硝酸銀溶于去離子水中，劇烈攪拌并且加熱至沸騰后，將檸檬酸鈉水溶液快速滴加到硝酸銀溶液中，反應0.5?2小時后得到納米銀粒子溶液，所述硝酸銀和檸檬酸鈉的質(zhì)量比為1:1?2。
[0019]上述方案中，步驟(3)所述溶液pH為3?7。
[0020]上述方案中，步驟(3)所述恒溫震蕩箱的溫度為10?60°C，震蕩頻率為O?10r/min，震蕩時間為0.5?24h。
[0021 ]上述方案中，步驟(3)所述烘干的溫度為40?120°C。
[0022]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明以非織造布為基材層，在基材層上復合納米纖維，然后將納米抗菌粒子通過原位生長的方法負載在納米纖維上制備得到納米纖維層;所述納米纖維層質(zhì)量輕、通透性好、比表面積大，具有由納米粗糙結構、結節(jié)孔隙結構以及堆疊孔隙結構所形成的三級過濾結構，對不同粒度分布的PM2.5(尺寸小于等于2.5μπι的顆粒)會產(chǎn)生逐級截留阻隔，能夠高效地攔截ΡΜ2.5微小氣溶膠粒子，對于2.5μπι的顆粒的過濾效率可以達至Ij 100%，對于尺寸為0.5μπι和0.3μπι的顆粒的過濾效率可以達到99% ；空氣阻力為37Pa同時所截留的氣溶膠粒子中含有的污染有害氣體在常溫條件下可以穩(wěn)定存在，高溫后才釋放出來;此外，其上負載的納米銀粒子還能增加材料的抗菌性，使空氣過濾材料滿足高效低阻抗菌防霧霾的過濾要求;本發(fā)明所述空氣過濾材料操作簡便易行，充分吸附煙霧后，可以通過水洗除去其上吸附的煙霧粒子，實現(xiàn)多次重復利用，可應用于口罩防護服、汽車空調(diào)濾清器、室內(nèi)空氣凈化等領域。
【附圖說明】
[0023]圖1為實施例1得到的PA66@Ag納米纖維復合非織造布的空氣過濾材料SEM圖。
[0024]圖2為本發(fā)明所述空氣過濾材料吸收煙霧后的SEM圖。
[0025]圖3為本發(fā)明所述空氣過濾材料吸附煙霧后TG-QMS圖。
[0026]圖4為本發(fā)明所述空氣過濾材料過濾性能曲線圖。
[0027]圖5為本發(fā)明所述空氣過濾材料重復進行吸附煙霧、水洗的克重曲線圖。
【具體實施方式】
[0028]為了更好地理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
[0029]實施例1
[0030]一種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，通過如下方法制備得到:
[0031](I)聚酰胺66溶于甲酸和乙酸混合溶劑(3:1)，配置紡絲溶液(濃度15% )，靜電紡絲參數(shù)，電壓18KV，推進量0.2mL/h，溫度50°C，接收距離18cm，紡絲時間30min，以PP熔噴布為基底制備得到復合在基材層上的納米纖維；
[0032](2)納米銀粒子溶液的制備:稱取0.019g的硝酸銀，0.019g檸檬酸鈉，以硝酸銀為銀前驅體，檸檬酸鈉作為還原劑;先將硝酸銀加入到去離子水中，油浴加熱到120°C使硝酸銀溶液沸騰、劇烈磁力攪拌條件下加入檸檬酸鈉溶液，反應Ih后即得到納米銀粒子溶液；
[0033](3)采用稀鹽酸調(diào)節(jié)納米銀粒子溶液的pH = 3，將納米纖維膜浸沒在納米銀粒子溶液中，置于10°c恒溫震蕩箱(震蕩頻率為50r/min)進行納米銀原位生長lh，生長結束后，取出納米纖維膜在真空干燥箱中80°C烘干，得到負載納米銀粒子的納米纖維過濾層，所述負載納米銀粒子的納米纖維過濾層中納米銀粒子的負載率為3wt% ；由基材層和復合在其上的納米纖維層構成了空氣過濾材料。
[0034]本實施例制備得到的空氣過濾材料的SEM圖見圖1。從圖1可以看出，纖維尺寸為納米級的納米纖維膜與纖維尺寸為微米級的無紡基材布形成明顯的雙層結構，納米纖維堆疊形成三維孔隙，孔隙大小約為3nm。
[0035]實施例2
[0036]—種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，通過如下方法制備得到:
[0037](I)將聚酰胺6(PA6)溶于甲酸溶劑中，配置紡絲溶液(濃度13 % )，靜電紡絲參數(shù)，電壓12kV，推進量0.5mL/h，溫度60°C，接收距離12cm，紡絲時間30min，以PP熔噴布為基底制備得到復合在基材層上的納米纖維；
[0038](2)納米銀粒子溶液的制備:稱取0.008g的硝酸銀，0.019g的檸檬酸鈉，0.014g硼氫化鈉，以硝酸銀為銀前驅體，檸檬酸鈉和硼氫化鈉作為還原劑;先將硝酸銀和檸檬酸鈉加入到去離子水中，常溫下磁力攪拌使完全溶解呈現(xiàn)無色透明液體，再將硼氫化鈉溶于5ml去離子水中，加入到無色透明液體中，繼續(xù)攪拌lh，充分反應后得到納米銀粒子溶液；
[0039](3)采用稀鹽酸調(diào)節(jié)納米銀粒子溶液的pH = 5，將納米纖維膜浸沒在納米銀粒子溶液中，置于60°C恒溫震蕩箱(震蕩頻率為100r/min)進行納米銀原位生長0.5h，生長結束后，取出納米纖維膜40°C烘干，得到負載納米銀粒子的納米纖維過濾層，所述負載納米銀粒子的納米纖維過濾層中納米銀粒子的負載率為20wt% ;由基材層和復合在其上的納米纖維層構成了空氣過濾材料。
[0040]實施例3
[0041]—種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，通過如下方法制備得到:
[0042](I)將聚酰胺610溶于甲酸溶劑中，配置紡絲溶液(濃度15%)，靜電紡絲參數(shù)，電壓19KV，推進量0.3mL/h，溫度50°C，接收距離18cm，紡絲時間30min，以PP針織布為基底制備得到復合在基材層上的納米纖維；
[0043](2)納米銀粒子溶液的制備:稱取0.017g的硝酸銀，0.020g檸檬酸鈉，以硝酸銀為銀前驅體，檸檬酸作為還原劑;先將硝酸銀加入到去離子水中，油浴加熱到120°C使硝酸銀溶液沸騰，在劇烈磁力攪拌條件下加入檸檬酸鈉溶液，反應0.5h后即得到納米銀粒子溶液；
[0044](3)采用稀鹽酸調(diào)節(jié)納米銀粒子溶液的pH = 7，將納米纖維膜浸沒在納米銀粒子溶液中，置于25°C恒溫震蕩箱(震蕩頻率為Or/min)進行納米銀原位生長24h，生長結束后，取出納米纖維膜60°C烘干，得到負載納米銀粒子的納米纖維過濾層，所述負載納米銀粒子的納米纖維過濾層中納米銀粒子的負載率為19wt% ;由基材層和復合在其上的納米纖維層構成了空氣過濾材料。
[0045]實施例4
[0046]—種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，通過如下方法制備得到:
[0047](I)將聚酰胺56溶于乙酸溶劑中，配置紡絲溶液(濃度13%)，靜電紡絲參數(shù)，電壓18KV，推進量0.2mL/h，溫度50°C，接收距離18cm，紡絲時間30min，以PP針織布為基底制備得到復合在基材層上的納米纖維；
[0048](2)納米銀粒子溶液的制備:稱取0.0lSg的硝酸銀，0.019g檸檬酸鈉，以硝酸銀為銀前驅體，檸檬酸鈉作為還原劑;先將硝酸銀加入到去離子水中，油浴加熱到120°C使硝酸銀溶液沸騰，在劇烈磁力攪拌條件下加入檸檬酸鈉溶液，反應0.5h后即得到納米銀粒子溶液；
[0049](3)采用稀鹽酸調(diào)節(jié)納米銀粒子溶液的pH = 5，將納米纖維膜浸沒在納米銀粒子溶液
[0050]中，置于45°C恒溫震蕩箱(震蕩頻率為lOOr/min)進行納米銀原位生長lh，生長結束后，取出納米纖維膜120°C烘干，得到負載納米銀粒子的納米纖維過濾層，所述負載納米銀粒子的納米纖維過濾層中納米銀粒子的負載率為10wt% ；由基材層和復合在其上的納米纖維層構成了空氣過濾材料。
[0051 ] 實施例5
[0052]—種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，通過如下方法制備得到:
[0053](I)將聚酰胺11溶于甲酸溶劑中，配置紡絲溶液(濃度14 % )，靜電紡絲參數(shù)，電壓18KV，推進量0.lmL/h，溫度50°C，接收距離16cm，紡絲時間20min，以PP針織布為基底制備得到復合在基材層上的納米纖維；
[0054](2)納米銀粒子溶液的制備:稱取0.018g的硝酸銀，0.019g檸檬酸鈉，0.018g硼氫化鈉，以硝酸銀為銀前驅體，檸檬酸鈉和硼氫化鈉作為還原劑;先將硝酸銀和檸檬酸鈉加入到去離子水中，室溫下磁力劇烈攪拌使完全溶解呈現(xiàn)無色透明液體，再將硼氫化鈉溶于5ml去離子水中，加入到無色透明液體中，繼續(xù)攪拌lh，充分反應后得到納米銀粒子溶液；
[0055](3)將納米纖維膜浸沒在pH = 4的納米銀粒子溶液中，置于25°C恒溫震蕩箱(震蕩頻率為50r/min)進行納米銀原位生長10h，生長結束后，取出納米纖維膜80°C烘干，得到負載納米銀粒子的納米纖維過濾層，所述負載納米銀粒子的納米纖維過濾層中納米銀粒子的負載率為20wt% ;由基材層和復合在其上的納米纖維層構成了空氣過濾材料。
[°°56] 本發(fā)明所述空氣過濾材料中，納米銀的粒徑為5nm?50nm;納米纖維的直徑為20nm?200nm。據(jù)報道，用焚燒香而產(chǎn)生的煙霧可以模擬PM2.5霧霾空氣環(huán)境，因此對本發(fā)明所述空氣過濾材料進行煙霧吸附實驗，吸附煙霧后的空氣過濾材料的SEM圖見圖2，從圖2可以看出:隨著吸附時間的延長，煙霧顆粒逐漸包裹在纖維上面;同時對吸附了煙霧的空氣過濾材料進行TG-QMS測試，結果見圖3，從圖3可以看出:50°C之后，有一些污染空氣的氣體逐漸釋放，其中N0、N02、C02在200°C前后形成一個峰值，表明此時有該種氣體的最大釋放量，對于SO2氣體，曲線形成兩個峰值說明有兩次釋放，并且第二次釋放量更大。圖3表明，空氣過濾材料吸附了 N0、N02、C02、S02氣體并且證明這些氣體室溫下穩(wěn)定存在沒有釋放，高溫后才釋放。通過LZC-H型濾料綜合性能測試臺來測試空氣過濾材料的過濾性能，結果如圖4所示，對于2.5μηι的顆?？梢赃_到100%的過濾效率，對于0.3μηι和0.5μηι的顆粒過濾效率達到99%，空氣阻力37Pa。隨后將吸附了煙霧的空氣過濾材料在恒溫震蕩箱里進行水洗震蕩，將此空氣過濾材料重新用于吸附煙霧實驗，從空氣過濾材料克重曲線圖5看出，吸附煙霧后空氣過濾材料的克重增加，震蕩水洗干燥后克重下降，說明本發(fā)明所述空氣過濾材料可以重復多次使用。
[0057]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的實例，而并非對實施方式的限制。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而因此所引申的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，其特征在于，所述空氣過濾材料包括基材層和過濾層，所述過濾層為負載抗菌劑的納米纖維層，所述過濾層通過原位生長法制得，所述基材層為PP非織造布。2.根據(jù)權利要求1所述的可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，其特征在于，所述抗菌劑為納米銀，所述納米銀的粒徑為5 nm~100 nm。3.根據(jù)權利要求1所述的可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，其特征在于，所述納米纖維的直徑為20 nm?200 nm。4.根據(jù)權利要求1所述的可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，其特征在于，所述負載抗菌劑的納米纖維層中抗菌劑的負載量為3 wt%?20 wt%05.根據(jù)權利要求1所述的可循環(huán)利用、高效低阻、抗菌防霧霾的空氣過濾材料，其特征在于，所述PP非織造布為表面帶有一定電荷的PP熔噴布或PP針織布。6.—種原位生長制備權利要求1?5任一所述空氣過濾材料的方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將聚合物溶解在甲酸和/或乙酸溶劑中，得到靜電紡絲溶液；以非織造布為基材層，采用靜電紡絲工藝制備得到復合在基材層上的納米纖維膜； (2)納米銀粒子溶液的制備:以硝酸銀為銀前驅體、檸檬酸鈉和硼氫化鈉為還原劑，或者以硝酸銀為銀前驅體、檸檬酸鈉為還原劑，反應制備得到納米銀粒子溶液； (3)將納米纖維膜浸沒在納米銀粒子溶液中，置于恒溫震蕩箱進行納米銀原位生長，生長結束后，取出納米纖維膜烘干，得到負載納米銀粒子的納米纖維層；由基材層和復合在其上的納米纖維層構成了空氣過濾材料。7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(I)所述聚合物為聚酰胺6、聚酰胺610、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺1010、聚酰胺56、聚酰胺4、聚酰胺8、聚酰胺9和聚酰胺810中的一種或幾種。8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述溶液pH為3~7。9.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述恒溫震蕩箱的溫度為10?60°C，震蕩頻率為O?100 "11^11，震蕩時間為0.5~24 h，所述烘干的溫度為40?120°C。10.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述以硝酸銀為銀前驅體，檸檬酸鈉和硼氫化鈉為還原劑制備納米銀粒子溶液的過程為:先將硝酸銀和檸檬酸鈉加入到去離子水中，常溫下磁力攪拌使完全溶解呈現(xiàn)無色透明液體，再將硼氫化鈉溶于少量去離子水中，加入到無色透明液體中，繼續(xù)攪拌，充分反應后得到納米銀粒子溶液，所述硝酸銀、檸檬酸鈉和硼氫化鈉的質(zhì)量比為1:1?3:1?5;所述以硝酸銀為銀前驅體，檸檬酸鈉為還原劑制備納米銀粒子溶液的過程為:將硝酸銀溶于去離子水中，劇烈攪拌并且加熱至沸騰后，將檸檬酸鈉水溶液快速滴加到硝酸銀溶液中，反應0.5?2小時后得到納米銀粒子溶液，所述硝酸銀和梓檬酸鈉的質(zhì)量比為I: I?2。
【文檔編號】B01D39/14GK106039839SQ201610375070
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】董麗杰, 琚艷云, 陳卓, 趙廣輝, 張揚
【申請人】武漢理工大學