一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料及其制备方法，属于纺织材料技术领域。
【背景技术】
[0002]纺织材料领域，纳米纤维是指直径小于1000微米的超细纤维，具有比表面积大、长径比大且易于成膜的特点，广泛应用在人体防护、生物医药、能源信息及工业净化等领域，尤其是作为空气净化和水处理的膜过滤材料。
[0003]纳米纤维膜材料具有高孔隙率和小孔径，增加了对介质中小颗粒阻隔和吸附的概率，从而提高了过滤效率。现有方法主要是通过改变工艺条件减小纳米纤维直径和增加纳米纤维膜厚度来提高纳米纤维膜对颗粒物的过滤效率，然而此种方式会降低净水和净空气的产出率，增加过滤材料两侧的压力差，使过滤能耗提高。
[0004]通过电晕放电等方式赋予材料驻极性能是提高聚丙烯等传统非织造材料过滤性能的一种有效途径，然而，此方法并不适用于提高材料对水等极性液体的过滤性能，主要是因为极性液体会消除材料的静电吸附作用。此外，可用作驻极材料的聚合物种类有限，因此，通过此途径难以改善纳米纤维自身对颗粒物的吸附性能。相比之下，提高纳米纤维材料本身的表面能(例如增加多孔性)则能够显著改善纤维材料在多种介质中的吸附性能，从而提高了纳米纤维膜对颗粒物的过滤效果，同时又能提高水和空气的产出率。
[0005]目前提高纤维及其滤材的吸附性能的方法为:通过物理及化学工艺将纳米纤维做成具有多孔或微纳结构的纤维。如中国专利公开号CN 102383220A，公开日为2012年3月21日，公开了一种活性碳改性聚乙烯合金纤维及其制备方法。该发明将马来酸酐改性聚乙烯树脂、活性碳颗粒和阳离子可燃聚酯以一定比例共混、熔融纺丝获得活性碳改性聚乙烯合金纤维，具有吸附、祛味、抗菌氧化、去静电和优良的染色性能。
[0006]上述技术方案不足之处在于这种纤维通过普通的熔融纺丝方法制备，纤维直径难以达到纳米级别，相比纳米纤维，其比表面积和孔隙率低下，从而影响过滤材料的过滤性倉泛。
[0007]中国专利公开号CN 102677193A，公开日为2012年9月19日，公开了一种酚醛树脂基纳米活性碳纤维材料的制备方法。该发明通过静电纺丝的方法将苯并恶嗪单体与混纺聚合物纺成苯并恶嗪复合纳米纤维膜，然后进行氢氧化钾溶液预处理，最后在氮气气氛下进行碳化处理得到酚醛树脂基纳米活性炭纤维材料。
[0008]上述技术方案不足之处在于纳米纤维材料为无机碳材料，塑性和韧性差，难以进行滤材的成网加工；同时采用大规模静电纺丝设备昂贵，成本高，难以在过滤领域进行广泛的应用。
[0009]为了克服上述方案不足之处，申请号为201410193018.8，申请日为2014年05月08日，发明创造了名称为一种高吸附纳米纤维复合过滤材料及其制备方法，该申请案提供的复合过滤材料制备方法为:通过熔融共混纺丝的方法获得了直径在50~300纳米的分散有纳米活性颗粒的热塑性聚合物纳米纤维，然后将其乙醇分散液涂覆于非织造布基材表面而获得了具有高吸附性能的纳米纤维复合过滤材料。
[0010]尽管这种方法提高了纳米纤维本身的吸附性能，并且改善了材料的过滤效果，但是，在纳米纤维膜成型过程中，纤维的堆积密度难以有效控制，从而难以显著降低膜材料的过滤阻力。
【发明内容】
[0011]针对上述存在不足，本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料及其制备方法。为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为:
一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料，其特征在于:所述有机无机复合纳米纤维膜过滤材料由非织造布基材和附在其表面的纳米纤维膜组成，纳米纤维膜由热塑性聚合物纳米纤维和分散在纳米纤维间的无机微米活性颗粒组成，且纳米纤维膜的组份按以下质量百分比分别为:
塑性聚合物纳米纤维50~95%
无机微米活性颗粒5~50%
所述非织造布基材为PP或PLA或PET或PA的熔喷或纺粘非织造布中的一种。
[0012]所述热塑性聚合物为PVA-co-PE或PP或PA或PET或PBT或PTT或PMMA中的一种。
[0013]一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料的制备方法，所述制备方法按以下步骤进行:
a将热塑性聚合物与醋酸丁酸纤维素分别按质量百分比，
热塑性聚合物 10~40%
醋酸丁酸纤维素60~90%
进行均匀混合，在加工温度为140~240°C的双螺杆挤出机中进行挤出、造粒，制备得热塑性聚合物/醋酸丁酸纤维素复合材料；
b将经步骤a得到的热塑性聚合物/醋酸丁酸纤维素复合材料经熔融纺丝机进行纺丝、牵伸，得到复合纤维；
c将经步骤b得到的复合纤维在60°C的丙酮中回流72小时萃取醋酸丁酸纤维素，将萃取醋酸丁酸纤维素后的复合纤维进行常温干燥，制备得到以热塑性聚合物为连续相，直径为50~350 nm的热塑性纳米纤维；
d将经步骤c得到的热塑性聚合物纳米纤维与直径为1~10 μ m的无机微米活性颗粒分别按质量百分比:
热塑性聚合物纳米纤维 50~95%
无机微米活性颗粒5%~50%
混合，得到热塑性聚合物纳米纤维与无机微米活性颗粒的混合物，然后按1~10 g/L的比例经过乳化机均匀混合并分散在乙醇中，形成热塑性聚合物纳米纤维/无机微米活性颗粒悬浮液；
e将经步骤d得到的热塑性聚合物纳米纤维/无机微米活性颗粒悬浮液均匀涂覆在非织造布基材的一个或两个表面上，涂覆厚度为1~100 μ m，常温下干燥，制备得到由非织造布基材和附在其表面的纳米纤维/微米活性颗粒组成的复合膜过滤材料。
[0014]所述的一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料的制备方法，所述无机微米活性颗粒材料为碳酸钙或二氧化钛或活性碳或硅石或沸石或Y-氧化铝中的一种或几种的组合。
[0015]由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点:
1.本发明将有机纳米纤维和无机微米颗粒通过乳化机充分混合并分散于乙醇中，形成均一的分散体系，保证了纤维与颗粒能够在纳米纤维膜三维方向进行均匀分布，从而使复合膜结构均匀稳定，成膜过程简单快速，易于实现规模化制备。
[0016]2.本发明采用热塑性聚合物纳米纤维作为纳米纤维膜的连续体，采用非织造布作为纳米纤维复合膜的基材，从而使过滤材料主体为聚合物纤维基材料，较常规无机纳米纤维过滤材料具有更加优良的柔韧性和塑性，易于后期产品加工。
[0017]3.本发明将无机微米活性颗粒均匀地分散于纳米纤维膜中，微米颗粒的加入有利于吸附更多的颗粒物，提高了膜的过滤效果。其次，由于纳米纤维和微米颗粒的尺寸和形状差异，使得复合膜上的微米颗粒对其周围的纳米纤维起到支撑的作用，从而使纳米纤维膜的三维结构得到了重构，提高了纳米纤维膜的透气性，在相同过滤效果条件下，降低了过滤时复合膜两侧的压力差。
[0018]本发明的制备方法简单，易于实现工业化，制备的复合膜过滤材料对于过滤微小颗粒物具有高效低阻的特点。
【具体实施方式】
[0019]下面结合具体实施例对本发明进行详细描述
一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料，所述有机无机复合纳米纤维膜过滤材料由非织造布基材和附在其表面的纳米纤维膜组成，纳米纤维膜由热塑性聚合物纳米纤维和分散在纳米纤维间的无机微米活性颗粒组成，且纳米纤维膜的组份按以下质量百分比分别为:热塑性聚合物纳米纤维50~95%
无机微米活性颗粒5~50%
所述非织造布基材为PP或PLA或PET或PA的熔喷或纺粘非织造布中的一种。
[0020]所述热塑性聚合物为PVA-co-PE或PP或PA或PET或PBT或PTT或PMMA中的一种。
[0021]一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料的制备方法，所述制备方法按以下步骤进行:
a将热塑性聚合物与醋酸丁酸纤维素分别按质量百分比，
热塑性聚合物 10~40%
醋酸丁酸纤维素60~90%
进行均匀混合，在加工温度为140~240°C的双螺杆挤出机中进行挤出、造粒，制备得热塑性聚合物/醋酸丁酸纤维素复合材料；
b将经步骤a得到的热塑性聚合物/醋酸丁酸纤维素复合材料经熔融纺丝机进行纺丝、牵伸，得到复合纤维；
c将经步骤b得到的复合纤维在60°C的丙酮中回流72小时萃取醋酸丁酸