一种静电纺丝方法及其制备的纳米纤维/玻璃纤维复合过滤材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属静电纺丝技术领域，涉及一种静电纺丝方法及其制备的纳米纤维/玻璃 纤维复合过滤材料。
【背景技术】
[0002] 多针头静电纺丝过程中，针头之间会产生电场干扰，使针头与针头之间的电场强 度产生差异，从而导致射流不稳定，最终影响纺丝得到的纤维膜的均匀性。对纺丝过程中 的电场强度进行控制，使得每根喷丝头射流保持稳定，可以有效改善纤维膜的均匀性，实 现滤料性能的稳定。现有文献中主要使用金属辅助电极对针头间电场进行控制，通过在 喷丝头针尖处添加与针头施加相同电压的金属圆环来使射流稳定（Buttafoco L，Kolkman N G, Engbers-Buijtenhuijs P, et al.Electrospinning of collagen and elastin for tissue engineering applications [J] · Biomaterials, 2006, 27 (5) : 724-34.)，或者在针 头外部使用金属圆通进行电场控制（Kim G，Cho Y_S, Kim W D. Stability analysis for multi-jets electrospinning process modified with a cylindrical electrode[J]. European Polymer Journal, 2006, 42 (9) :2031-8.);专利 CN203583021U 公开了"一种平 板电极多喷头静电纺装置"，其通过在喷丝头前加一金属板，金属板上有与喷丝头配合的通 孔，高压电源同时与喷丝头和金属板连接，使其具有相同点位，从而使射流稳定；朱文斌等 (朱文斌，史晶晶，杨恩龙.辅助电极作用下双喷头静电纺丝电场及射流受力分析[J].纺 织学报，2012, 06:6-9.)通过在喷头处加装圆锥形金属辅助电极，辅助电极与喷头相连以 降低相邻针头之间电场干扰。这些方法通过在纺丝针头上附加金属辅助电极，辅助电极与 针头施加同种大小电压的方法，使纺丝射流稳定性得到改善。但是在高电压纺丝时，针头与 辅助电极之间容易发生放电现象，产生的火花极易引起安全事故。
[0003] 静电纺是一种利用高电压进行纺丝的纳米纤维制备技术，同时也是一种纳米纤 维驻极技术，在纺丝的过程中可将大量空间电荷注入纤维当中，空间电荷易被纤维内部的 深陷阱捕获，同时可诱导偶极极化而产生极化电荷，在对粒子进行过滤的过程中可通过 静电吸附作用提升过滤效率（姚翠娥.熔喷聚丙烯滤料驻极影响因素研究[D].东华大 学，2014.)。而驻极过滤材料在使用及储存过程中，由于空气中存在的水分以及微粒等与驻 极材料直接接触，使驻极材料中表面电荷逸散加快，从而使驻极效应衰减变快，最终导致滤 料过滤效率不稳定（田涛，吴金辉，郝丽梅，杨荆泉.聚丙烯纤维驻极体滤材的储电性能 [J] ·纺织学报，2010, 31 (6) : 25-28.)。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种静电纺丝方法及其制备的纳米纤维/玻 璃纤维复合过滤材料。针对现有技术中多针头静电纺丝过程中电场干扰的问题，使用绝缘 材料对每个针头进行防干扰隔绝处理。
[0005] 本发明的一种静电纺丝方法，为多针头静电纺丝，所述多针头静电纺丝的针头之 间绝缘。
[0006] 作为优选的技术方案：
[0007] 如上所述的一种静电纺丝方法，所述针头共用同一绝缘底板。
[0008] 如上所述的一种静电纺丝方法，所述针头之间绝缘是指使用绝缘材料对每个针头 进行防干扰隔绝处理；具体为在所述针头的四周围有绝缘材料形成隔绝槽，隔绝槽的形状 为方形或者圆形，隔绝槽的深度为所述针头长度的1~5倍。当喷丝头处施加高电压时，绝 缘材料隔绝槽表面产生极化电荷，形成的极化电场与原电场方向相反，会对此方向电场强 度产生一定的抵消作用，使来自相邻针头之间的电场互相干扰减小，从而使射流稳定，且在 高电压静电纺丝过程中不会发生放电现象。
[0009] 如上所述的一种静电纺丝方法，所述绝缘材料为苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚物、 聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、 聚偏氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯。
[0010] 本发明还提供了一种纳米纤维/玻璃纤维复合过滤材料制备方法，具体步骤为：
[0011] ⑴静电纺丝；
[0012] 步骤为：
[0013] a)将无机纳米颗粒加入溶剂中，并超声分散，得到纳米颗粒均匀分散的分散液；
[0014] b)将聚合物加入所述分散液中，配制成均匀且稳定的纺丝溶液；
[0015] c)将纺丝溶液进行多针头静电纺丝，所述多针头静电纺丝的针头之间绝缘；所纺 的聚合物纳米纤维用玻璃纤维滤纸接收，得到玻璃纤维滤纸上均匀沉积静电纺聚合物纳米 纤维的复合滤料，聚合物纳米纤维的沉积量可以通过调节纺丝时间来调控；
[0016] (2)超细纳米纤维分散液的配制：
[0017] 先配制聚乙烯醇缩丁醛溶液，然后将其与超细纳米纤维加入高速打浆机中进行分 散，得到均匀的超细纳米纤维分散液；
[0018] (3)复合滤料浸泡处理：
[0019] 将所述复合滤料于所述超细纳米纤维分散液中浸泡后取出，烘干，得到复合滤料 纤维表面沉积超细纳米纤维的滤料；即为叠层用材料；
[0020] 经过浸泡处理后的所述复合滤料表面的超细纳米纤维沉积厚度为20~200nm ;
[0021] 测试得到该叠层用材料对0. 02~10 μ m的颗粒的过滤效率值；
[0022] (4)多次重复步骤（1)~（3)，获得不同过滤效率的叠层用材料，叠层用材料的过 滤效率可通过调控步骤（1)中静电纺聚合物纳米纤维沉积量以及步骤（3)中分散液中超细 纳米纤维的质量分数来控制；
[0023] (5)将叠层用材料，自下而上按滤料过滤效率由低到高依次进行叠加复合，每层叠 层用材料均使有静电纺纤维的一面向上，并于最上一层表面覆盖一玻璃纤维滤纸，保证顶 层和最底层都为玻璃纤维滤纸层；相邻两层叠层用材料，上面一层对〇. 02~10 μ m的颗粒 的过滤效率值为下面一层的1. 03~1. 3倍，形成玻璃纤维滤纸与具有驻极效应纳米纤维相 间排列的夹层结构，制成纳米纤维/玻璃纤维复合过滤材料；
[0024] 叠层用材料叠加层数为2~6层，形成玻璃纤维滤纸与具有驻极效应纳米纤维相 间排列的夹层结构，制成纳米纤维/玻璃纤维叠层复合过滤材料。
[0025] 如上所述的一种纳米纤维/玻璃纤维叠层复合过滤材料制备方法，步骤（1):
[0026] 所述纺丝溶液中，聚合物的浓度为5~40wt%，无机纳米颗粒的添加量为聚合物 和无机纳米颗粒总质量的0. 1~l〇wt% ;
[0027] 所述无机纳米颗粒为二氧化硅、三氧化二铝、氧化锌、氧化钡、二氧化钛、五氧化二 钽、钛酸钡、锆钛酸铅、氮化硅、电气石、勃姆石或倍半硅氧烷纳米颗粒；
[0028] 所述无机纳米颗粒的作用机理为：所述无机纳米颗粒在外电场存在的条件下会有 空间电荷的注入以及极化电荷的产生，对驻极效应有很大的增强作用，并且无机纳米颗粒 与有机聚合物混合产生的界面在外电场的存在下会产生界面极化，产生极化电荷，同样增 强驻极效果。
[0029] 所述聚合物为聚偏氟乙烯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚芳酯、 聚醋酸乙烯、尼龙6、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、 聚己内酯、聚氨酯、氟化聚氨酯、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏氟乙烯-四氟乙 烯-全氟甲基乙烯基醚、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯中的一种，或者为以上几种聚合物的混合 物；
[0030] 其中所述溶剂根据聚合物种类分别对应为：
[0031 ] 聚偏氟乙烯：N，N-二甲基甲酰胺（DMF)、N-甲基吡咯烷酮（NMP)、二甲基乙酰胺 (DMAc)、磷酸三乙酯和二甲基亚砜（DMS0);
[0032] 聚对苯二甲酸丁二酯：二氯甲烷、四氢呋喃（THF)、三氯甲烷或丙酮；
[0033] 聚对苯二甲酸乙二酯：二氯甲烷、四氢呋喃、三氯甲烷或丙酮；
[0034] 聚芳酯：二氯甲烧、四氢呋喃、三氯甲烷或丙酮；
[0035] 聚醋酸乙烯：甲苯、丙酮、乙醇、醋酸、乙酸乙酯或三氯甲烷；
[0036] 尼龙6:甲酸；
[0037] 聚甲基丙烯酸甲酯：氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮或甲苯；
[0038] 聚苯胺：N，N-二甲基甲酰胺或N-甲基吡咯烷酮；
[0039] 聚氧化乙烯：N，N_二甲基甲酰胺、乙醇、水或三氯甲烷；
[0040] 聚乙烯吡咯烷酮：水、乙醇、N，N-二甲基乙酰胺或N，N-二甲基甲酰胺；
[0041] 聚丙烯腈：N，N_二甲基甲酰胺或二甲基亚砜；
[0042] 聚己内酯：N，N-二甲基甲酰胺或丙酮；
[0043] 聚氨酯：N，N-二甲基甲酰胺、丙酮或N-甲基吡咯烷酮；
[0044] 氟化聚氨酯：N，N-二甲基甲酰胺、丙酮或N-甲基吡咯烷酮；
[0045] 聚砜和聚醚砜：N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺或四氢 呋喃；
[0046] 聚偏氟乙烯-六氟丙烯：N，N_二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、磷 酸三乙酯或二甲基亚砜；
[0047] 聚偏氟乙烯-四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚：N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷 酮、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯或二甲基亚砜；
[0048] 聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯：N，N_二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、 磷酸三乙酯或二甲基亚砜；
[0049] 所述步骤a)中，超声分散时间为20~70分钟；
[0050] 所述步骤b)中，将聚合物加入所述分散液中后，磁力搅拌8~10小时；
[0051 ] 所述步骤c)中，多针头静电纺丝的工艺条件为：电源电压10~