一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜及其制備方法，該復(fù)合過(guò)濾膜包括非織造基布和多孔復(fù)合納米纖維層，二者熱軋復(fù)合，所述多孔復(fù)合納米纖維層由聚合物和添加劑組成。制備步驟為：將添加劑加入紡絲液溶劑中，超聲至均勻分散，然后加入聚合物，室溫?cái)嚢柚寥芤撼吻逋该鳌Ｍㄟ^(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，得到的多孔復(fù)合納米纖維直接在非織造布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。本發(fā)明綜合了普通濾料和納米纖維濾料的優(yōu)點(diǎn)，過(guò)濾效果好，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米功能材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)我國(guó)工業(yè)化高速發(fā)展以及社會(huì)汽車擁有量迅猛增加，空氣質(zhì)量惡化加劇，持續(xù)霧霾天氣對(duì)人類健康及日常生活造成了極大的影響，PM2.5已成為當(dāng)今社會(huì)人們最為關(guān)注的指標(biāo)之一。PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5 μ m的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。工業(yè)廢氣、燃煤煙塵以及逐漸增加的汽車尾氣排放要達(dá)到越來(lái)越嚴(yán)苛的國(guó)家排放新標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)高性能的過(guò)濾材料是行之有效的措施之一。目前，纖維過(guò)濾材料以其大的比表面積、高孔隙率、一定的強(qiáng)度以及較低的價(jià)格，在過(guò)濾材料中占據(jù)主導(dǎo)地位，應(yīng)用最為廣泛。普通的纖維過(guò)濾材料主要依靠布朗擴(kuò)散、截留、慣性碰撞、重力沉降等機(jī)械阻擋作用來(lái)過(guò)濾空氣中的微粒，因此對(duì)亞微米離子過(guò)濾效果不理想。只有當(dāng)過(guò)濾材料十分密實(shí)時(shí)才能高效地捕獲微小的顆粒，這導(dǎo)致過(guò)濾材料空氣阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致能耗和成本增加。因此研制過(guò)濾效率高、工作能耗低且具有特殊捕集功能的高效過(guò)濾材料成為目前迫切需要解決的難題。
[0003]纖維過(guò)濾材料的纖維直徑、纖維表面結(jié)構(gòu)、纖維結(jié)合體的孔隙結(jié)構(gòu)(孔徑大小及其分布、孔隙率等)是影響纖維過(guò)濾材料過(guò)濾精度和效率的主要因素，較小直徑的纖維具有較高的過(guò)濾精度和過(guò)濾效率，因此在壓力損失(過(guò)濾前后靜壓差值)等參數(shù)一定范圍內(nèi)，制備高效過(guò)濾介質(zhì)最直接的方法就是在過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)中使用納米尺度的纖維。納米纖維材料具有高比表面積、高表面活性和高表面能，因而具有很高的過(guò)濾效率，且由于納米纖維直徑和氣體分子的平均自由程相當(dāng)，含有微粒的氣流通過(guò)納米纖維氈時(shí)，氣體能在纖維表面產(chǎn)生滑移，由纖維造成的壓力降損失減小，體現(xiàn)了高效低阻特性。同時(shí)，由于納米纖維對(duì)懸浮顆粒物的拖弋力低于對(duì)粗大懸浮顆粒的拖弋力，因此納米纖維的自清潔性能優(yōu)良，可以非常容易地通過(guò)反向氣流或機(jī)械震蕩予以去除。國(guó)內(nèi)關(guān)于靜電紡納米纖維用于過(guò)濾材料的專利已見(jiàn)報(bào)道。
[0004]專利CN101653676A公開(kāi)了一種由靜電紡絲法制造含有兩種以上不同纖維直徑分布的納米纖維棉網(wǎng)，作為過(guò)濾材料并指出該材料具有高效率及低壓損的特征。專利CN102806021A公開(kāi)了一種纖維素納米晶體/靜電紡納米纖維膜的制備方法，該材料能夠有效截留水中的固體懸浮物、膠體、細(xì)菌甚至水中的剩余氯及重金屬。但是這兩種方法工業(yè)生產(chǎn)成本較高，不適宜大規(guī)模生產(chǎn)及推廣。此外，與常規(guī)非織造纖維濾料相比，靜電紡納米纖維膜為基材的過(guò)濾材料的機(jī)械強(qiáng)度很低。
[0005]因此，將納米纖維與非織造布復(fù)合，既可以保證濾料的機(jī)械強(qiáng)度及過(guò)濾性質(zhì)，還可降低生產(chǎn)成本。如何實(shí)現(xiàn)納米纖維/常規(guī)非織造布對(duì)尺寸在2.5 μ m以下顆粒有效過(guò)濾及攔截的纖維過(guò)濾膜，是目前纖維過(guò)濾材料制備技術(shù)中亟待解決的技術(shù)難題。本發(fā)明提供了一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)合濾料的制備方法，可對(duì)不同尺度范圍的顆粒進(jìn)行有效攔截。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于上述原因，本發(fā)明避免常規(guī)纖維濾料對(duì)亞微米離子過(guò)濾能力低以及納米纖維高生產(chǎn)成本低機(jī)械強(qiáng)度的不足，而提供一種具有工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用推廣潛力的多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合濾料。
[0007]本發(fā)明的目的之一在于提供一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜，包括非織造基布和多孔復(fù)合納米纖維層，二者熱軋復(fù)合，所述多孔復(fù)合納米纖維層由聚合物和添加劑組成；
[0008]所述非織造基布選自滌綸、聚丙烯和聚乙烯中的任意一種；
[0009]所述聚合物選自聚丙烯腈(PAN)、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)、尼龍6 (PA6)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氨酯(PU)、聚偏氟乙烯(PVDF)中的任意一種；
[0010]所述添加劑為蒙脫土、海泡石、凹凸棒石、硅藻土、沸石、分子篩中的任意一種；
[0011]所述添加劑的質(zhì)量為聚合物質(zhì)量的5?15%，所述聚合物與添加劑的總濃度為5?15wt.%。
[0012]本發(fā)明的另一目的在于提供一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜的制備方法，具體步驟為:將添加劑加入紡絲液溶劑中，超聲至均勻分散，然后加入聚合物，室溫?cái)嚢柚寥芤撼吻逋该?；通過(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，得到的多孔復(fù)合納米纖維直接在非織造布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0013]所述紡絲液溶劑可以是丙酮、三氯甲烷、N，N_ 二甲基甲酰胺、甲酸、三氟乙酸、四氫呋喃中的一種或兩種復(fù)配。
[0014]所述的紡絲液溶劑可任意兩兩復(fù)配，復(fù)配體積比為9:1?7:3，其中沸點(diǎn)相對(duì)較低的溶劑占主要比例成分。
[0015]所述靜電紡絲的參數(shù)為:紡絲距離10?20cm，紡絲電壓12?30kV，流量0.1?2mL/h。
[0016]本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)包括三個(gè)方面(如圖1所示):添加劑的微孔或介孔結(jié)構(gòu)，纖維表面的介孔或大孔結(jié)構(gòu)，以及纖維間交叉形成的大孔。添加劑的微孔或介孔結(jié)構(gòu)為材料自身特有的(如圖2所示)，可通過(guò)對(duì)添加劑的有效選用及表面修飾調(diào)控其孔徑大小，有效截留空氣中的小分子；纖維表面的介孔或大孔結(jié)構(gòu)主要由高揮發(fā)性溶劑在靜電紡過(guò)程中形成富溶劑相與富溶質(zhì)相而引起相分離致孔(如圖3、4所示)，孔隙結(jié)構(gòu)可通過(guò)溶劑的選擇及復(fù)配進(jìn)行調(diào)控，可增加氣體中亞微米級(jí)別顆粒的攔截；納米纖維之間交叉形成的三維網(wǎng)絡(luò)孔隙結(jié)構(gòu)可對(duì)空氣中微米級(jí)別的顆粒進(jìn)行有效截留及濾阻；而非織造布基材纖維之間交叉形成的孔隙結(jié)構(gòu)可對(duì)氣體中較大的顆粒進(jìn)行過(guò)濾。因此，本發(fā)明的復(fù)合過(guò)濾膜同時(shí)具有粗濾及精濾的效果。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:
[0018]本發(fā)明提供的一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜，同時(shí)具備微孔、介孔、大孔三種不同尺度不同維度的孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)不同粒徑的雜質(zhì)均能進(jìn)行有效過(guò)濾，并且結(jié)構(gòu)可通過(guò)工藝參數(shù)調(diào)控，具備實(shí)際應(yīng)用的潛力。本發(fā)明綜合了普通濾料和納米纖維濾料的優(yōu)點(diǎn)，過(guò)濾效果好，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為多維度孔隙結(jié)構(gòu)纖維示意圖，其中，1、原生孔(大孔)；2、次生孔(大孔或介孔)；3、蒙脫土層間空隙(介孔或微孔)；
[0020]圖2為蒙脫土層間孔隙結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3為多孔PMMA納米纖維掃描電鏡圖；
[0022]圖4為多孔PAN納米纖維透射電鏡圖；
[0023]圖5為PMMA/蒙脫土復(fù)合納米纖維透射電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外，在參閱本
【發(fā)明內(nèi)容】
后，本領(lǐng)域人員可對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或參數(shù)調(diào)節(jié)，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
[0025]實(shí)施例中蒙脫土為DK系列納米級(jí)超分散蒙脫土，可以在浙江豐虹新材料股份有限公司購(gòu)買到；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可以在上海Sigma-Aldrich公司購(gòu)買到；聚丙烯腈(PAN)可以在上虞吳越經(jīng)貿(mào)有限公司購(gòu)買到；其他所有試劑均可以在國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購(gòu)買到。
[0026]實(shí)施例1
[0027]稱取蒙脫土 0.lg，在26.9mL三氯甲烷中超聲至均勻分散，然后加入PMMA2g，室溫?cái)嚢柚脸吻逋该魅芤骸Ｍㄟ^(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，紡絲電壓為15kV，紡絲距離為15cm，推進(jìn)速度為0.5ml/h，接收裝置為一收放卷裝置，表面覆蓋PET紡粘非織造基布，得到的多孔復(fù)合納米纖維(透射電鏡圖如圖5所示)在PET紡粘非織造基布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0028]實(shí)施例2
[0029]稱取蒙脫土 0.2g，在26.9mL三氯甲烷中超聲至均勻分散，然后加入PMMA2g，室溫?cái)嚢柚脸吻逋该魅芤?。通過(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，紡絲電壓為20kV，紡絲距離為15cm，推進(jìn)速度為0.8ml/h，接收裝置為一收放卷裝置，表面覆蓋PET紡粘非織造基布，得到的多孔復(fù)合納米纖維在PET紡粘非織造基布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0030]實(shí)施例3
[0031]稱取蒙脫土 0.3g，在26.9mL三氯甲烷中超聲至均勻分散，然后加入PMMA2g，室溫?cái)嚢柚脸吻逋该魅芤?。通過(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，紡絲電壓為15kV，紡絲距離為15cm，推進(jìn)速度為1.0ml/h，接收裝置為一收放卷裝置，表面覆蓋PET紡粘非織造基布，得到的多孔復(fù)合納米纖維在PET紡粘非織造基布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0032]實(shí)施例4
[0033]稱取蒙脫土 0.3g，在三氯甲烷(20.0mL) /N，N- 二甲基甲酰胺(3.5mL)復(fù)配溶劑中超聲至均勻分散，然后加入PMMA2g，室溫?cái)嚢柚脸吻逋该魅芤?。通過(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，紡絲電壓為15kV,紡絲距離為15cm,推進(jìn)速度為1.0ml/h,接收裝置為一收放卷裝置，表面覆蓋PET紡粘非織造基布，得到的多孔復(fù)合納米纖維在PET紡粘非織造基布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0034]實(shí)施例5
[0035]稱取蒙脫土 0.3g，在三氯甲烷(18.0mL) /N，N- 二甲基甲酰胺(6.7mL)復(fù)配溶劑中超聲至均勻分散，然后加入PMMA2g，室溫?cái)嚢柚脸吻逋该魅芤骸Ｍㄟ^(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，紡絲電壓為15kV,紡絲距離為15cm,推進(jìn)速度為1.0ml/h,接收裝置為一收放卷裝置，表面覆蓋PET紡粘非織造基布，得到的多孔復(fù)合納米纖維在PET紡粘非織造基布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0036]實(shí)施例6
[0037]稱取蒙脫土 0.3g，在三氯甲烷(15.5mL)/N，N-二甲基甲酰胺(10.0mL)復(fù)配溶劑中超聲至均勻分散，然后加入PMMA2g，室溫?cái)嚢柚脸吻逋该魅芤?。通過(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，紡絲電壓為15kV,紡絲距離為15cm,推進(jìn)速度為1.0ml/h,接收裝置為一收放卷裝置，表面覆蓋PET紡粘非織造基布，得到的多孔復(fù)合納米纖維在PET紡粘非織造基布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0038]實(shí)施例7
[0039]稱取蒙脫土 0.lg，在12.6mL N，N-二甲基甲酰胺中超聲至均勻分散，然后加入PAN2g，室溫?cái)嚢柚脸吻逋该魅芤?。通過(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，紡絲電壓為20kV,紡絲距離為15cm，推進(jìn)速度為2ml/h，接收裝置為一收放卷裝置，表面覆蓋PP紡粘非織造基布，得到的多孔復(fù)合納米纖維在PP紡粘非織造基布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0040]實(shí)施例8
[0041]稱取蒙脫土 0.3g，在25.0mL N, N-二甲基甲酰胺中超聲至均勻分散，然后加入PAN2g，室溫?cái)嚢柚脸吻逋该魅芤?。通過(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，紡絲電壓為12kV，紡絲距離為15cm，推進(jìn)速度為0.8ml/h,接收裝置為一收放卷裝置，表面覆蓋PP紡粘非織造基布，得到的多孔復(fù)合納米纖維在PP紡粘非織造基布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0042]實(shí)施例9
[0043]將2g海泡石分散于lmol/L的鹽酸溶液(IOOmL)中，在溫度80°C下攪拌10h，離心分離，抽濾水洗至中性，并干燥；加入5g表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨于60°C下處理8h，抽濾、水洗并烘干得到有機(jī)改性海泡石。稱取0.1g有機(jī)改性海泡石，分散于四氫呋喃(17.5ml) /N，N- 二甲基甲酰胺(7.5ml)復(fù)配溶劑中，超聲分散，然后加入PU2g，室溫?cái)嚢柚脸吻逋该?。通過(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，紡絲電壓為25kV，紡絲距離為20cm，接收裝置為一收放卷裝置，表面覆蓋PP針刺非織造基布，纖維在PP針刺非織造基布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
[0044]實(shí)施例10
[0045]將實(shí)施例1?9制備的復(fù)合過(guò)濾膜進(jìn)行性能測(cè)試，采用LZC-H型濾料綜合性能測(cè)試臺(tái)(蘇州華儀儀器設(shè)備有限公司)和BCJ-1系列激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器測(cè)試各樣品的過(guò)濾效率，測(cè)試氣體流量為32L/min，濾速5.33cm/s，結(jié)果見(jiàn)表I。
[0046]表1.實(shí)施例1?9制備的復(fù)合過(guò)濾膜的性能測(cè)試結(jié)果
[0047]
【權(quán)利要求】
1.一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜，其特征在于，包括非織造基布和多孔復(fù)合納米纖維層，二者熱軋復(fù)合，所述多孔復(fù)合納米纖維層由聚合物和添加劑組成； 所述非織造基布選自滌綸、聚丙烯和聚乙烯中的任意一種； 所述聚合物選自聚丙烯腈、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、尼龍6、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚偏氟乙烯中的任意一種； 所述添加劑為蒙脫土、海泡石、凹凸棒石、硅藻土、沸石、分子篩中的任意一種； 所述添加劑的質(zhì)量為聚合物質(zhì)量的5~15%，所述聚合物與添加劑的總濃度為5~15wt.%。
2.基于權(quán)利要求1所述的一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜的制備方法，其特征在于，具體步驟為:將添加劑加入紡絲液溶劑中，超聲至均勻分散，然后加入聚合物，室溫?cái)嚢柚寥芤撼吻逋该?；通過(guò)多噴頭靜電紡絲裝置進(jìn)行靜電紡絲，得到的多孔復(fù)合納米纖維直接在非織造布表面沉積，并經(jīng)后續(xù)熱軋裝置進(jìn)行復(fù)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜的制備方法，其特征在于，所述紡絲液溶劑可以是丙酮、三氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺、甲酸、三氟乙酸、四氫呋喃中的一種或兩種復(fù)配。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜的制備方法，其特征在于，所述的紡絲液溶劑可任意兩兩復(fù)配，復(fù)配質(zhì)量比為9:1-7:3，其中沸點(diǎn)相對(duì)較低的溶劑占主要比例成分。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多維度孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)合過(guò)濾膜的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲的參數(shù) 為:紡絲距離10-20 cm，紡絲電壓12~30 kV，流量0.1-2 mL/h。
【文檔編號(hào)】B01D71/06GK103894077SQ201410143534
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】魏取福, 王清清, 徐陽(yáng), 李國(guó)輝 申請(qǐng)人:江南大學(xué)