一种具有PM2.5阻挡功能的纱窗制作方法与流程

本发明涉及纤维素多孔薄膜的制备方法，具体涉及了利用植物纤维构筑的具有PM2.5阻挡性能多孔纱窗的制备。

背景技术：

天然纤维素是地球上最丰富的生物质资源，纳米纤维素具有纤维素的基本结构、性能以及纳米颗粒的典型特性，是一种新型的高分子功能材料，纤维素纳米纤维具有高结晶度、高强度及高比表面积等特性，加之具有轻质、生物相容性及可降解性，其在造纸、建筑、食品、电子产品、医学等众多领域具有极大的应用前景。常见纤维素纳米纤维制备方法有机械法，化学法及生物处理法等。

随着工业社会的发展，环境污染日益严重，空气的污染也日益严峻，严重威胁到人们的身体健康，尤其是近几年来我国的空气污染非常严重，雾霾天气越来越多，而且PM2.5指数经常超量程。要完全解决雾霾天气的可能还需要10-20年时间，怎样在有雾霾的天气条件下能呼吸到新鲜空气就需要将含雾霾空气净化过滤。目前市场上用的最多的是空气净化器以及口罩，但性能良莠不齐，经测试及媒体曝光很多产品性能完全没有阻挡PM2.5的功能。净化器价格昂贵能耗较高，运行成本高。由于空气净化器只是在周边小范围内进行空气交换难以达到整个室内空气的净化。另外一种就是新风过滤系统，其效果有待评估，且运行成本也非常高，且更换维护比较麻烦。如果能够将原来用于阻挡蚊子苍蝇的纱窗做成可阻挡PM2.5的防雾霾功能丝网，且兼具透光和透气的功能，将具有非常广泛的市场。因为这种丝网可以用于任意封闭的建筑物(住宅、办公楼等)、交通工具(汽车、火车、动车高铁等)，市场前景非常大。目前市场仅有的一款具有该功能的由清华大学开发的核孔膜，一款利用核技术制备的多孔膜已在小范围销售，但是由于其制备需要用到高能离子束，受设备限制，大面积工业化制备成本高昂，所以市场推广难以为继。因此开发一种低成本、具有透光、防水自清洁、透气、杀菌、防PM2.5雾霾的丝网将会极具投资价值和广阔的市场。

目前，制备纳米纤维素多使用TEPMO法，TEMPO/NaBr/NaClO催化氧化体系是一种有效的天然纤维素选择性氧化体系，纤维素经TEMPO氧化后再加以温和的机械均质处理便可制得纳米纤维素。该纳米纤维素制备方法反应条件温和、能耗低、污染小、纳米纤维素得率高且尺寸均一，此外，目前只有TEMPO法可以制成长度大且能够在水中稳定分散的纳米纤维素，因此TEMPO法被越来越多地用于纳米纤维素的制备。目前，纳米纤维制备的薄膜多用于水溶液中纳米颗粒的分离，水污染的处理，或是纳米纤维作为一种增强材料进行添加复合。而将纳米纤维用于空气过滤的多孔薄膜多采用静电纺丝法制备，能耗高、制备复杂、参数难以调控、纺丝过程中加入有机溶剂存在一定的污染，限制了其产业化的应用。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种凝胶化在300目不锈钢筛网基底上制备微/纳米纤维多孔薄膜的制备方法。

本发明所采用的技术方案是包括如下步骤，如图1所示：

1)通过氧化2-8天制备纤维素混合溶液，将制得的纤维素混合溶液进行稀释，然后通过过滤辅助凝胶化成膜的方法在基底上得到纤维多孔薄膜；

2)将制备得到的纤维多孔薄膜倒扣在装有PDMS溶液的培养皿顶端上，纤维多孔薄膜和PDMS溶液不接触，置于烘箱中，升温至50℃后加热4h，得到表面疏水的纤维多孔薄膜；

倒扣指的是将纤维多孔薄膜朝向PDMS溶液，基底朝向外侧。

3)以步骤2)得到的表面疏水的纤维多孔薄膜作为纱窗上的用于阻挡PM2.5的阻挡层，进而制造获得纱窗。

所述的纤维素混合溶液的配制是以去离子水作为溶剂，加入0.1-20mM的TEMPO、15mL-20mL NaClO溶液和纤维素在常温下机械搅拌获得，获得的纤维素混合溶液中，纤维素质量含量为0.5-2wt％，TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物)的质量含量为0.016-3.200g/100mL，NaClO的质量体积分数为15-20mL/100mL。

所述的纤维素为微/纳米纤维溶液。

所述步骤1)在稀释后溶液中的纤维素的质量体积分数为0.5％-0.65％w/v。

所述步骤1)通过过滤辅助凝胶化成膜的方法在基底上得到纤维多孔薄膜具体是将稀释后的纤维素混合溶液倒在基底上通过真空泵进行抽滤成膜，基底为两层，下层采用聚偏氟乙烯材料制成的膜(PVDF)，上层为300目不锈钢筛网，稀释后的纤维素混合溶液具体是倒在上层为300目不锈钢筛网上，聚偏氟乙烯材料制成的膜的孔径大小为50nm-4000nm，具体实施中聚偏氟乙烯材料制成的膜的孔径为200nm。

本发明采用特定的300目的不锈钢筛网，对于300目的不锈钢筛网现有技术的情况是通过编织，碰焊，拉伸，冲孔等方式获得。

所述的PDMS溶液采用道康宁SYLGARD184硅橡胶，通过PDMS溶液加热后挥发对纤维素进行表面改性。

所述步骤2)通过PDMS溶液对纤维素表面进行表面改性后，纤维多孔薄膜的表面从超亲水变为疏水，薄膜表面含微/纳米孔。

本发明能够阻挡过滤空气中PM2.5颗粒，有效净化空气。

本发明通过物理搅拌和化学反应，在水溶液中选择性氧化纤维素伯醇羟基，天然纤维素的氧化发生在微纤维表面，能引入羧基、醛基而不改变纤维形态和结晶度，氧化纤维素经持续温和的均质处理便能制得具有微米纳米孔径的纤维素多孔薄膜。本发明实现了操作简便、常温条件下简单方便地制备微/纳米纤维素，并通过过滤辅助凝胶化的方法快速制备微/纳纤维多孔薄膜，通过表面疏水改性，使其能够用于具有PM2.5过滤功能的纱窗上的应用。

在机械搅拌条件下，加入TEMPO和NaClO来氧化纤维素制备微/纳米纤维多孔薄膜的方法，操作简单、常温制备。本发明通过对薄膜厚度的调节可获得不同大小孔径的微/纳米纤维多孔薄膜，从而能用于不同的过滤，而纤维素表面含有大量官能团，可以对其进行改性，从而获得想要的性能可用于空气过滤，使得最终的纱窗过滤层具有强度高、刚性好、重量轻、比表面积大以及可生物降解等优点。

本发明的其一目的在于制备获得微米纳米孔径的纤维素薄膜，快速简便，常温制备，成本低廉。

本发明的另一目的在于通过对薄膜孔径大小的调节，可以达到不同的截留性能，从而用于环境污染的处理。

本发明的另一目的在于，通过对纤维素氧化程度的调控，制备出应用于空气过滤的纤维素多孔薄膜，实现PM2.5的阻挡，分离膜材料无污染可降解，从而实现环境友好材料的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

本发明通过添加氧化体系，在常温机械搅拌条件下，利用对纤维素氧化程度的不同从而制备出不用孔径大小的纤维素薄膜，通过对纤维素薄膜的改性，可以使其表面疏水，应用于空气过滤。

本发明操作简便，常温即可，快速高效，薄膜可降解。

附图说明

图1为实施例1中的用于空气过滤的微/纳米纤维多孔薄膜的制备流程图；

图2为实施例1中制备的微/纳米纤维多孔空气过滤薄膜的表面SEM照片；

图3为实施例1中制备的微/纳米纤维多孔空气过滤薄膜的断面SEM照片；

图4为实施例1中制备的改性后的微/纳米纤维多孔空气过滤薄膜的表面SEM照片；

图5为实施例1中制备的未改性及改性后的微/纳米纤维多孔空气过滤薄膜的接触角测试图片；

图6为实施例2中制备的微/纳米纤维多孔空气过滤薄膜的表面SEM照片；

图7为实施例3中制备的微/纳米纤维多孔空气过滤薄膜的表面SEM照片；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。

本发明的实施例如下：

以下实施例中纤维素混合溶液的配制均采用以下方式：

取1g干燥过的纤维素置于烧杯中，再称量0.016gTEMPO，20mLNaClO(NaClO溶液(安替福民)活性氯(以Cl计≥5.2％))，80mL去离子水，一起混合在烧杯中，常温下磁力搅拌。

实施例1

1)将氧化程度适宜的纤维素混合溶液稀释，得到浓度为0.65％(M/V)纤维素溶液，分别取20mL，25mL，30mL，35mL，40mL，真空抽滤在300目不锈钢筛网与PVDF多孔薄膜上，形成微/纳米纤维多孔薄膜，见图2和图3。图2显示的是抽取30mL制备得到的微/纳米纤维多孔薄膜，薄膜由微/纳米纤维搭建而成，孔径适宜。图3显示微/纳米纤维多孔薄膜厚度适宜。PVDF多孔膜孔径为200nm，直径为7.5cm。

2)将实施例1中得到的微/纳米纤维素多孔薄膜倒扣在装有PDMS溶液的培养皿上，置于烘箱中升温至50℃加热4h。见图4和图5。图4显示改性后的微/纳米纤维多孔薄膜，相较于未改性前，表面形貌未有多大变化，薄膜表面微/纳米孔仍然存在。图5显示经改性后微/纳米纤维多孔薄膜从原来的超亲水变为疏水。经PDMS加热至50℃改性4小时后，其表面接触角变为115.6°。

实施例的PDMS溶液采用的是道康宁SYLGARD184硅橡胶，其中的A组分和B组分的体积比为10:1。

将实施例1中抽滤不同体积的纤维素溶液所制备得到的微/纳米纤维素多孔薄膜均进行PM2.5阻挡性能的测试。PM2.5通过点烟的方式获得，测试时间为25个小时，通过博华康生PM2.5测试仪(PHP-C)进行测试，实施例中30mL纤维素溶液所制备的薄膜，其PM2.5阻挡性能为93％，透气性为30mm/s。制备的纤维素薄膜对PM2.5有较好的阻挡性能。故此，采用本实验的方法可以在300目(即48微米)大小的不锈钢筛网上成膜，且透气性和透光性良好，因而可以作为阻挡PM2.5的纱窗使用。

实施例2

1)将氧化程度适宜的纤维素混合溶液稀释，得到浓度为0.6％(M/V)纤维素溶液，分别取20mL，25mL，30mL，35mL，40mL，真空抽滤在300目不锈钢筛网与PVDF多孔薄膜上，形成微/纳米纤维多孔薄膜。

2)将实施例2中抽滤30mL得到的微/纳米纤维素多孔薄膜倒扣在装有PDMS溶液的培养皿上，置于烘箱中升温至50℃加热4h。改性后的薄膜如图6，薄膜孔径适宜。

实施例的PDMS溶液采用的是采用道康宁SYLGARD184硅橡胶，其中的A组分和B组分的体积比为10:1。

实施例3

1)将氧化程度适宜的纤维素混合溶液稀释，得到浓度为0.5％(M/V)纤维素溶液，分别取20mL，25mL，30mL，35mL，40mL，真空抽滤在300目不锈钢筛网与PVDF多孔薄膜上，形成微/纳米纤维多孔薄膜。

2)将实施例3中抽滤30mL得到的微/纳米纤维素多孔薄膜倒扣在装有PDMS溶液的培养皿上，置于烘箱中升温至50℃加热4h。改性后的薄膜如图7，薄膜孔径较大。

实施例的PDMS溶液采用的是采用道康宁SYLGARD184硅橡胶，其中的A组分和B组分的体积比为10:1。

由此可见，本发明的纤维素薄膜改性后能进行空气过滤，有效阻挡PM2.5颗粒，并且常温即可，快速高效，能够降解，技术效果显著突出。