基于摩擦发电的pm2.5滤膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多功能性滤膜，尤其涉及一种基于摩擦发电的PM2. 5滤膜及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] PM2. 5颗粒也被称为细颗粒物，其是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于 2. 5μπι的颗粒物。PM2. 5颗粒能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表 空气污染越严重。ΡΜ2. 5颗粒对空气质量和能见度等有重要的影响。与较粗的大气颗粒物 相比，ΡΜ2. 5颗粒其粒径小，比表面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生 物等)，可以直接进入肺泡，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。
[0003] 现有普通的纤维过滤材料主要依靠布朗扩散、截留、惯性碰撞、重力沉降等机械阻 挡作用来过滤空气中的微粒，因此对粒径小于1 μ m的粒子过滤效果不理想。只有当过滤材 料孔径小与密度高时才能高效地捕获这些微小的颗粒，然而这会导致过滤材料空气阻力增 大。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中存在的缺陷，提供一种多功能性 滤膜，以过滤空气中的PM2. 5颗粒。本发明基于摩擦发电的PM2. 5滤膜以静电纺织的方法 制备其结构中的高分子聚合物纤维层，在有机械震动的环境下，例如人体呼吸环境下，高分 子聚合物纤维层之间摩擦而产生电荷，保持高分子聚合物纤维层带有的静电荷量，可以长 时的产生电荷而维持高效的静电除尘效果。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的第一技术方案为，一种基于摩擦发电的 PM2. 5滤膜，包括依次层叠设置的第一支撑层，第一高分子聚合物纤维层，第二高分子聚合 物纤维层和第二支撑层；所述第一高分子聚合物纤维层设置在所述第一支撑层上，所述第 二高分子聚合物纤维层设置在所述第二支撑层上，所述第一高分子聚合物纤维层和所述第 二高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界面。
[0006] 由于所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层经静电纺丝 形成，其自身带有静电荷(可以称作第一部分静电荷)，从而所述第一高分子聚合物纤维层 和所述第二高分子聚合物纤维层不经过摩擦发电前是带静电荷(第一部分静电荷）的高分 子聚合物纤维层。然后当所述基于摩擦发电的PM2. 5滤膜受到力作用时，所述第一高分子 聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层形变进行摩擦，以产生静电荷(可以称作第 二部分静电荷)，从而保持所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层 中的静电荷量。
[0007] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜，所述第一高分子聚合物纤维层所用材料选自 聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；所述第 二高分子聚合物纤维层所用材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚 对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈。由于需要摩擦，在材料选择上基本为构成摩擦界面的两高 分子聚合物纤维层在摩擦序列上一为易带正电材料，一为易带负电材料。优选的为如下材 料之间构成摩擦界面：聚二甲基硅氧烷与聚对苯二甲酸乙二酯，尼龙6与聚四氟乙烯，聚偏 氟乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏氟乙烯与聚丙烯腈。
[0008] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜，构成所述第一高分子聚合物纤维层的纤维的 直径为0. 5-1 μ m ;构成所述第二高分子聚合物纤维层的纤维的直径为1-3 μ m。
[0009] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜，所述第一高分子聚合物纤维层的厚度为 5-30 μ m ;所述第二高分子聚合物纤维层的厚度为5-30 μ m
[0010] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜，所述第二高分子聚合物纤维层和第二支撑层 之间进一步设置有第三高分子聚合物纤维层，所述第三高分子聚合物纤维层设置在第二支 撑层上，所述第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界 面；
[0011] 所述第三高分子聚合物纤维层经静电纺丝形成，所述第三高分子聚合物纤维层是 带静电荷的高分子聚合物纤维层；
[0012] 当所述基于摩擦发电的PM2. 5滤膜受到力作用时，所述第二高分子聚合物纤维层 和所述第三高分子聚合物纤维层形变进行摩擦，以产生静电荷，从而保持所述第三高分子 聚合物纤维层中的静电荷量。
[0013] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜，所述第三高分子聚合物纤维层和第一高分子 聚合物纤维层所用材料相同或不同，选自聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰 亚胺、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯。第三高分子聚合物纤维层的选择标准与上面描述的第一 高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层的选择标准相同。由于需要摩擦，在材料 选择上基本为构成摩擦界面的两高分子聚合物纤维层在摩擦序列上一为易带正电材料，一 为易带负电材料。优选的为如下材料之间构成摩擦界面：聚二甲基硅氧烷与聚对苯二甲酸 乙二酯，尼龙6与聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯与聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏氟乙烯与聚丙烯腈。
[0014] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜，构成所述第三高分子聚合物纤维层的纤维的 直径为0. 5-1 μ m ;所述第三高分子聚合物纤维层的厚度为5-30 μ m。
[0015] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜，构成所述第一高分子聚合物纤维层、第二高 分子聚合物纤维层和/或第三高分子聚合物纤维层的纤维中掺杂有活性碳粒子、ZnO粒子、 金属银粒子或TiO2粒子。
[0016] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜，所述第一支撑层和第二支撑层所用材料是静 电绵或无纺布。
[0017] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜，所述第一支撑层和第二支撑层所用材料是等 离子体处理后的静电绵或离子体处理后的无纺布。
[0018] 为了解决上述技术问题，本发明采用的第二技术方案为，一种基于摩擦发电的 PM2. 5滤膜的制备方法，该方法包括：
[0019] (1)制成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体
[0020] 采用静电纺丝的方法，在第一支撑层的表面沉积用于形成第一高分子聚合物纤维 层的静电纺丝液，以形成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体；
[0021] (2)制成第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体
[0022] 采用静电纺丝的方法，在第二支撑层的表面沉积用于形成第二高分子聚合物纤维 层的静电纺丝液，以形成第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠体；
[0023] (3)组合
[0024] 按照第一高分子聚合物纤维层和第二高分子聚合物纤维层相对设置，将第一支撑 层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体置于第二支撑层/第二高分子聚合物纤维层的层叠 体上，以使所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界 面，得到基于摩擦发电的PM2. 5滤膜。
[0025] 为了解决上述技术问题，本发明采用的第三技术方案为，一种基于摩擦发电的 PM2. 5滤膜的制备方法，该方法包括：
[0026] ( 1)制成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体
[0027] 采用静电纺丝的方法，在第一支撑层的表面沉积用于形成第一高分子聚合物纤维 层的静电纺丝液，以形成第一支撑层/第一高分子聚合物纤维层的层叠体；
[0028] (2)制成第二高分子聚合物纤维层
[0029] 采用静电纺丝的方法，在基底的表面沉积用于形成第二高分子聚合物纤维层的静 电纺丝液，以形成基底/第二高分子聚合物纤维层的层叠体；然后分离所得层叠体中的基 底和第二高分子聚合物纤维层，得到第二高分子聚合物纤维层；
[0030] (2'）制成第二支撑层/第三高分子聚合物纤维层的层叠体
[0031] 采用静电纺丝的方法，在第二支撑层的表面沉积用于形成第三高分子聚合物纤维 层的静电纺丝液，以形成第二支撑层/第三高分子聚合物纤维层的层叠体；
[0032] (3)组合
[0033] 按照第二高分子聚合物纤维层置于第一高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合 物纤维层之间，将步骤（1)所得层叠体、步骤（2 )所得第二高分子聚合物纤维层和步骤（2 '） 所得层叠体进行层叠设置，以使所述第一高分子聚合物纤维层和所述第二高分子聚合物纤 维层之间，以及第二高分子聚合物纤维层和所述第三高分子聚合物纤维层之间形成摩擦界 面，得到基于摩擦发电的PM2. 5滤膜。
[0034] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜的制备方法，步骤（1)和步骤（2'）所得的第一 高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合物纤维层的纤维的直径为〇. 5-1 μ m ;步骤（2)所得 的第二高分子聚合物纤维层的纤维的直径为1-3 μ m。
[0035] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜的制备方法，步骤（1)和步骤（2'）所得的第一 高分子聚合物纤维层和第三高分子聚合物纤维层的厚度为5-30 μ m;步骤（2)所得的第二 高分子聚合物纤维层的厚度为5-30 μ m。
[0036] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜的制备方法，步骤（I)和步骤（2'）中，将选自聚 丙烯或聚乙烯的高分子聚合物材料熔融，或将选自聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、 聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯的高分子聚合物材料溶于有机溶剂(例如体积比为5-12 :3-8的 二甲基甲酰胺/丙酮混合溶液)，得到静电纺丝液，本领域技术人员容易根据所选的高分子 聚合物选择适当的有机溶剂和适当的用量，例如高分子聚合物材料与混合溶液的质量体积 比为1-2 :8-20 (g/mL)。然后采用如下工艺进行静电纺丝5-30分钟：放置支撑层的接收板 作为接地端，与注射管的距离10-20cm，注射管以注射泵推动，速度为0. 1-0. 5ml/hr ;高电 压端接注射管上的金属针头，电压为8-15kV。
[0037] 前述的基于摩擦发电的PM2. 5滤膜的制备方法，步骤（2)中，将选自聚甲基丙烯酸 甲酯、尼龙6、聚碳酸酯、乙酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯腈的高分子聚合物材料 溶于有机溶剂(例如2, 2, 2-三氟乙醇)，得到静电纺丝液，本领域技术人员容易根据所选的 高分子聚合物选择适当的有机溶剂和适当的用量，其中高分子聚合物材料与溶剂的质量体 积比为0. 5-2 :1-5 (g/mL)，然后采用如下工艺进行