一种具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种新型过滤纤维，具有过滤及吸附双功能，具体是具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维，属于材料、化学与化工技术领域。
【背景技术】
[0002]活性碳纤维具有孔径小且分布窄、吸附速度快、吸附量大、容易再生等特点，在使用过程中产生的微粉尘少，可制成纱、线、织物、毡等多种形态的制品，使用时更加灵活方便。由活性碳纤维制成的过滤材料具有较强的吸附作用，尤其是对有机气体、各种有害恶臭的物质和粉尘等的吸附。此外，由于其具有耐酸、碱、耐高温，电导性与化学稳定性好等特点，不仅在净化空气方面具有显著成效，而且在液体净化、液体吸附处理、溶剂回收、功能电极材料等方面已得到成功应用。
[0003]静电纺丝技术将高分子流体静电雾化，形成聚合物微小射流，运行一定的距离后，最终固化成纤维。是制备纳米或微米聚合物纤维的方法，该方法得到的纤维膜比表面积大、孔隙率高、空洞连通性好等特点，在很多领域都具有很好的应用前景。也可以通过设计不同的接收装置直接得到有序排列的、十字交叉排列的纤维及纱线聚集体。比较普遍的是纱线聚集体，其无规则交错的结构可以过滤大气中的细小颗粒物，因而静电纺丝纤维制成的过滤材料可以过滤大气细颗粒物。制成的静电纺丝纤维膜在增强复合材料、过滤分离、组织工程、药物传输、生物催化等领域有着潜在的应用前景。
[0004]环境问题日益严重，大气细颗粒物和有害气体对人们身体健康的危害极为严重。而市场上现有的活性碳纤维虽然具有较强的吸附作用，但对细小颗粒的过滤效果较差。国外市场上的部分防护用品防尘效果较好，但透气、透湿性能却有待提高；国内的产品缺乏自主研发的有效过滤材料，过滤细颗粒物的效果不及国外，且大部分产品功能单一。所以，目前市场上用于过滤的纤维材料并不能很好地解决人们现在所面临的问题。
【发明内容】
[0005]本发明是为了克服上述现有技术的不足，目的在于提供一种既可以过滤大气细颗粒物PM2.5又能够吸附常见挥发性有机污染物的双功能仿生复合微纳纤维材料及其制备方法，可将其应用到人们日常生活中的防护，如口罩、空气净化器等，避免对人体健康造成威胁。
[0006]在实验过程中首先对无刺枸骨叶片表面结构和分泌物进行了探索和分析。通过光学显微镜观察其表面基本结构，再用超景深三维显微镜和场发射扫描电子显微镜进行进一步观察。发现叶片表面存在纵横交错的网状结构，特别是在叶片较脏的地方，且多种不同仪器观察发现结果基本相同，该结构也存在普遍性。结合实验所得结果也证明无刺枸骨对大气中的颗粒物有滞留作用，能力较强。如图1、2为无刺枸骨叶片表面场发射扫描电镜图，图3超景深三维显微镜所拍照片。
[0007]通过分析以上观察结果可以看出其叶片表面上的带状结构与静电纺丝所得纤维膜结构相似，都具有无规则性。也正是因为这种无规则的结构才更容易滞留大气中的颗粒物，从而达到滞尘的效果。
[0008]本发明的目的可通过以下技术方案完成:
[0009]—种具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维，其特征是:以活性碳纤维为基本骨架，在活性碳纤维上通过静电纺丝技术将纺丝溶液的纺丝纤维复合在其表面，制得克重为10-100g/m2纺丝纤维层，整个复合微纳纤维的克重为70-340g/m2。
[0010]所述活性碳纤维种类是酚醛基活性碳纤维、PAN基活性碳纤维、粘胶基活性碳纤维或沥青基活性碳纤维，纤维产品形式是活性碳纤维布和/或活性碳纤维毡，比表面积为600-3000m2/g，克重为 60_240g/m2。
[0011]所述复合微纳纤维过滤直径为0.5-2.0 μ m的颗粒物。
[0012]所述复合微纳纤维对常见挥发性有机污染物的最大吸附饱和量达到30g/m2。
[0013]所述复合微纳纤维的每平方米透气量达到610L/s。
[0014]所述复合微纳纤维的透湿率达到230g/m2.h。
[0015]—种具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维的制备方法:将配制好的纺丝溶液加入静电纺丝设备的储罐中，通过注射栗和导管链接连接到喷头，喷头接上高压电场；将活性碳纤维布和/或活性碳纤维毡作为接收部分并接地；打开电源，控制纺丝时间，得到仿生复合微纳纤维材料。
[0016]所述静电纺丝过程中高压电源电压设置为10-25KV，喷头到接收平面的距离为10-20cm，注射栗设置纺丝流量为0.5-2.0mL/h，纺丝时间可以是0.5-4.0h。
[0017]在静电纺丝过程中，配制浓度为5% -20%的纺丝溶液时，所用纺丝溶液溶质是聚丙烯腈，聚酰亚胺，聚苯乙烯，聚乙烯醇，聚乙二醇，聚乳酸，聚苯并咪唑，间亚苯基间苯二酰胺，聚对苯二甲酸对苯二胺或聚乙烯醇吡咯烷酮中的一种或几种；纺丝溶液溶剂是水，硫酸，间甲酚，二氯甲烷，二甲基乙酰胺，二甲基亚砜，N-二甲基吡咯烷酮或N，N-二甲基甲酰胺中的一种或几种。
[0018]该复合微纳纤维经测试，在350Pa压差下，每平方米透气量平均最高可达610L/s ;透湿lh，透湿率最高可达230g/m2.h ;吸附常见挥发性有机污染物的最大吸附饱和量为30g/m2;过滤直径为0.5-2.0 μ m的颗粒物的效率达99.99%。
[0019]本发明的启发来自大自然，利用静电纺丝技术结合仿生原理，对无刺枸骨具有滞尘能力从结构进行仿生，并且能达到过滤大气细颗粒物PM2.5和吸附常见挥发性有机污染物的双重功能仿生复合微纳纤维。可用于口罩、空气净化器等人们日常生活中的防护，为人们的健康提供一定的可靠的保障。所以，一种具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维与目前市场上现有的产品相比较具有以下优势:
[0020]I)本发明提供的制备具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维的方法，制备的仿生复合微纳纤维材料可运用到日常生活中的防护，如口罩，可弥补目前市场上产品作用的单一性，产品性能较差的不足；
[0021]2)本发明提供的制备具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维的方法，其思路源于自然，结合了植物原理效果显著，绿色环保；
[0022]3)本发明提供的制备具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维的方法，制备的仿生复合微纳纤维材料具有较好的透气性和透湿性，实用性强；
[0023]4)本发明提供的制备具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维的方法，制备的仿生复合微纳纤维材料具有良好的吸附性能和过滤效果，可被广泛用作各种过滤器及防护用品的过滤材料；
【附图说明】
[0024]图1是无刺枸骨叶片表面场发射扫描电镜图，放大倍数为1000。
[0025]图2是无刺枸骨叶片表面场发射扫描电镜图，放大倍数为1500。
[0026]图3是无刺枸骨叶片表面带状结构的局部放大超景深三维显微三维照片。
[0027]图4是过滤测试2 μ m颗粒物的视图。
[0028]图5是过滤测试0.5 μ m颗粒物的视图。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
[0030]一种具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维，以活性碳纤维为基本骨架，利用静电纺丝技术结合仿生原理，将活性碳纤维和静电纺丝纤维进行复合，制得的仿生复合微纳纤维不仅具有过滤大气细颗粒PM2.5的功能，而且具有吸附大气中常见挥发性有机污染物的作用。实验中通过对无刺枸骨叶片表面结构探索和分析，结合仿生学原理制备一种具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维。
[0031]—种具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维，它是以活性碳纤维为基本骨架，在活性碳纤维上通过静电纺丝技术将纺丝溶液的纺丝纤维复合在其表面，制得克重为10-100g/m2纺丝纤维层，整个复合微纳纤维的克重为70-340g/m2。所述活性碳纤维种类是酚醛基活性碳纤维、PAN基活性碳纤维、粘胶基活性碳纤维或沥青基活性碳纤维，纤维产品形式是活性碳纤维布和/或活性碳纤维毡，比表面积为600-3000m2/g，克重为60_240g/m2。
[0032]本发明所述复合微纳纤维过滤直径为0.5-2.0 μm的颗粒物。所述复合微纳纤维对常见挥发性有机污染物的最大吸附饱和量达到30g/m2。所述复合微纳纤维的每平方米透气量达到610L/s。所述复合微纳纤维的透湿率达到230g/m2.h。
[0033]—种具有过滤及吸附双重功能的仿生复合微纳纤维的制备方法:将配制好的纺丝溶液加入静电纺丝设备的储罐中，通过注射栗和导管链接连接到喷头，喷头接上高压电场；将活性碳纤维布和/或活性碳纤维毡作为接收部分并接地；打开电源，控制纺丝时间，得到仿生复合微纳纤维材料。
[0034]所述静电纺丝过程中高压电源电压设置为10-25KV，喷头到接收平面的距离为10-20cm，注射栗设置纺丝流量为0.5-2.0mL/h，纺丝时间可以是0.5-4.0h。
[0035]在静