技术领域本发明涉及一种纳米纤维膜，尤其涉及一种可以过滤杂质的纳米纤维膜，用于空气及水中颗粒物的过滤。此外，本发明还涉及该纳米纤维膜的制备方法和应用。
背景技术：
空气或水中含有各种颗粒物、悬浮物等杂质，例如空气中的灰尘、PM2.5、PM10、水中溶解物等，都需要用滤膜过滤。PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物，相比于较大的颗粒物，PM2.5具有粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。目前，PM2.5已经成为危及我国人类健康安全的一大隐患，尤其随着工业发展，污染物的肆意排放更是加剧了PM2.5的危害。因此，生产PM2.5过滤膜具有重要意义。传统的空气过滤材料主要有熔喷纤维、玻璃纤维和纺粘纤维。传统过滤材料由微米级纤维组成，纤维直径大，过滤效率低，不适合用于PM2.5的过滤。为了解决这一问题，越来越多的关于开发防治PM2.5的产品相继问世，诸如目前公布PM2.5口罩(中国专利申请号2014103399757)的发明专利申请，是利用负离子板对PM2.5颗粒的吸附来实现过滤功能的，其结构复杂，且成本较高，不利于市场化。此外，目前公布的一种净化PM2.5口罩用可更换覆膜滤芯及其制备方法(中国发明专利申请号：2013101542402)，其利用聚四氟乙烯微孔膜作为主要过滤层，虽然能够达到99.97％的过滤效率，但是其过滤阻力约为150Pa，空气透过性不好，不利于在口罩中的应用，而且聚四氟乙烯材料本身极为稳定，不易降解，如果在一次性空气过滤或者口罩产品的应用中会由于其不可降解性而带来二次污染。静电纺丝法是一种制备纳米纤维膜的技术，因为其制备所得的纳米纤维膜具有纤维直径小，比表面积大和长径比大等特点，在生产空气过滤技术领域具有很好的应用前景，但是由于常用的针头静电纺丝由于生产效率低和制备得到的纳米纤维膜孔隙率小，使得其存在空气过滤产品应用中难以工业化以及和空气透过性不好的弊端。目前公布的一种过滤用纳米纤维膜(中国发明专利申请号：201410474748.5)是通过制备聚丙烯腈和聚乳酸的混合氯仿溶液，聚丙烯和聚氨酯的混合四氢呋喃溶液，聚甲基丙烯酸树脂和聚碳酸酯的混合氯仿溶液交错静电纺丝制备得到三层不同的纳米纤维层。由于其本身纺丝溶液配制较为复杂，同时出液速度仅为10-20μL/min/孔，所以不利于工业化生产,而且其过滤效率仅有80-90％。洁净的水是人类生活的必须品。水的净化处理已成为世界性问题。大到民用大型水处理设备，小到家庭用净水器，都是目前一种解决方案。纳米纤维膜可用于水的净化过滤，需满足高通量和高分离能力的条件，特别是对细菌以及其他危害人身体健康的颗粒悬浮物。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题之一在于提供一种可以过滤杂质的纳米纤维膜，该纳米纤维膜具有对空气PM2.5高达90％以上的过滤效率，空气阻力仅有30-60Pa，制备材料具有耐日晒性，价格低廉的特点。本发明要解决的技术问题之二在于提供该可以过滤杂质的纳米纤维膜的制备方法，其制备方法简单，纤维机械性能稳定，纤维不易断裂,耗能低和易工业化生产。本发明要解决的技术问题之三在于提供该可以过滤杂质的纳米纤维膜的应用。为解决上述技术问题，在本发明的一方面，提供一种可以过滤杂质的纳米纤维膜，所述的纳米纤维膜包括接收基底及位于接收基底上的纳米纤维层；所述纳米纤维层的直径为100-1000nm，克重为1-15g/m2；所述纳米纤维层采用高分子聚合物材料。所述高分子聚合物材料为由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，如聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯缩丁醛、聚丙烯醇、聚丙烯、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚乳酸、聚己内酯、聚氨酯、聚醚亚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇等。作为本发明优选的技术方案，所述接收基底为无纺布、金属网、铝箔或滤纸。所述无纺布可以是纺粘、针刺或熔喷无纺布。作为本发明优选的技术方案，所述的纳米纤维膜具有对空气杂质PM2.5达到90％以上的过滤效率，空气阻力为30-60Pa。在本发明的另一方面，提供该可以过滤杂质的纳米纤维膜的制备方法，采用针头静电纺丝、线性静电纺丝或螺旋叶片静电纺丝技术，通过调节针头静电纺丝、线性静电纺丝和螺旋叶片静电纺丝过程参数，制备出具有对空气杂质PM2.5高效过滤的复合纳米纤维过滤膜，具体步骤如下：(1)纺丝溶液的配置：将高分子聚合物材料加热溶解，搅拌溶解于溶剂中，高分子聚合物分子通过扩散与溶剂分子均匀混合成分散的均相体系，得到质量分数为1％-25％的纺丝溶液；(2)静电纺丝制备得到纳米纤维膜，所述静电纺丝采用针头静电纺丝、线性静电纺丝或者螺旋叶片静电纺丝；所述针头静电纺丝过程为：将步骤(1)中的纺丝溶液注入储液槽中，按照一定的注射速率，纺丝溶液通过针头挤出，将针头接上正压，同时给接收基底接上负压，并通过调节电压、调节喷丝钢丝到接收基底间距和调节环境温度与湿度，制备得到均匀的纳米纤维膜；所述线性静电纺丝过程为：将步骤(1)中的纺丝溶液注入储液槽中，按照一定的注射速率，纺丝溶液通过刷子匀速分布在线性钢丝上面，将钢丝接上正压，同时给接收基底接上负压，并通过调节电压、调节喷丝钢丝到接收基底间距和调节环境温度与湿度，制备得到均匀的纳米纤维膜；所述螺旋叶片静电纺丝过程为：将步骤(1)中的纺丝溶液倾倒于储液槽中，螺旋叶片按照一定的速率和方向转动，纺丝溶液通过叶轮的转动均匀涂布于叶片，将叶轮接上正压，同时给接收基底接上负压，通过调节电压、调节喷丝头到接收基底间距和调节环境温湿度，制备得到均匀的纳米纤维膜。作为本发明优选的技术方案，步骤(1)中，所述溶剂选自以下溶剂中的一种或多种：水、二甲基甲酰胺、六氟异丙醇、丙酮、氯仿、二氯甲烷、三氟乙醇。作为本发明优选的技术方案，步骤(2)中，所述针头静电纺丝过程、线性静电纺丝过程中的纺丝溶液的注射速率为0.5ml/min-1.5ml/min，所述螺旋静电纺丝中的叶轮旋转速率为0.1rpm-100rpm。作为本发明优选的技术方案，步骤(2)中，所述正压为10-50kv，所述负压为30-40kv。作为本发明优选的技术方案，所述步骤(2)中的调节电压是调节正负电压的压差，或者是调节单独的正高压；所述调节正负电压的压差为10-100kv。在本发明的另一方面，提供该可以过滤杂质的纳米纤维膜在制备空气过滤产品(例如口罩、空气净化器、汽车滤网、空压机、压缩机、真空泵、新风机、空调滤芯等)和水过滤产品(例如净水器，废水处理装置等)中的应用。和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过针头静电纺丝、线性静电纺丝或螺旋叶片静电纺丝法制备出可以过滤杂质的纳米纤维膜，该针头静电纺丝、线性静电纺丝和螺旋叶片静电纺丝方法操作简单、耗能低和易工业化生产；此外，本发明使用工业用聚丙烯腈作为原材料静电纺丝，制备材料本身耐日晒性好，纤维机械性能稳定，纤维不易断裂，且价格低廉，这使得其在一次性的口罩或者其他空气过滤产品及水过滤中的应用具有很大的前景；该纳米纤维膜具有对空气中的颗粒物PM2.5高达90％以上的过滤效率，空气阻力仅有30-60Pa。而且所述复合纳米纤维过滤膜能高效分离水中细菌及其他颗粒悬浮物，特别是在较高要求的膜厚度条件下，能够保持较高水通量，对于废水等污染源具有高通量和高截留率的特点。这对于小型低压水过滤装置中的使用提供了参考性。本发明的纳米纤维膜仅靠物理过滤净化水质，避免了其他污染物二次进入饮用水。该纳米纤维膜可作为口罩中的精细过滤层，空气过滤器的滤网(空气净化器、汽车滤网、空压机、压缩机、真空泵、风机等)及水净化器过滤膜。附图说明图1是本发明实施例1条件下，制备所得的聚丙烯腈纳米纤维膜的表面扫描电镜(SEM)图，下层为无纺布基底，上层为聚丙烯腈纳米纤维层。图2是本发明实施例4的纳米纤维层在老化试验前后的表面扫描电镜(SEM)图；其中，图2(A)为老化试验前的表面扫描电镜(SEM)图；图2(B)为老化试验后的表面扫描电镜(SEM)图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1称取质量为5g的聚丙烯腈溶解于20ml二甲基甲酰胺溶液中(得到质量分数为25％的纺丝溶液)，待其完全溶解后，注入储液槽内(注液速率为0.5ml/min)，在针头静电纺丝设备的纺丝端加上50kv的正压，接收端加上40kv的负压进行静电纺丝，调节正负电压压差为90kv，调节喷丝针头与接收基底之间的间距为20cm，调节环境温度与湿度分别为15℃和30％，以无纺布为接收基底，即得到克重为3.82g/cm2的可以过滤杂质的纳米纤维膜。如图1所示，是本实施例制备所得的聚丙烯腈纳米纤维膜的表面扫描电镜(SEM)图，从图1中我们可以看出该纳米纤维膜具有较好的纳米纤维结构，并分析其平均直径约为780nm。实施例2称取质量为15g的聚偏氟乙烯溶解于150ml二甲基甲酰胺和丙酮混合溶液中(得到质量分数为10％的纺丝溶液)，待其完全溶解后，注入储液槽内(注液速率为1.5ml/min)，在线性静电纺丝设备的纺丝端加上45kv的正压，接收端加上35kv的负压进行静电纺丝，调节正负电压压差为80kv，调节喷丝钢丝与接收基底之间的间距为40cm，调节环境温度与湿度分别为30℃和70％，以无纺布为接收基底，即得到平均直径为358nm，克重为2.18g/cm2的可以过滤杂质的纳米纤维膜。实施例3称取质量为20g的聚己内酯溶解于50ml三氟乙醇溶液中(得到质量分数为15％的纺丝溶液)，待其完全溶解后，注入储液槽内(螺杆旋转速率为100rpp)，在螺旋叶片静电纺丝设备的纺丝端加上10kv的正压，接收端加上40kv的负压进行静电纺丝，调节正负电压压差为50kv，调节喷丝头与接收基底之间的间距为30cm，调节环境温度与湿度分别为20℃和50％，以无纺布为接收基底，即得到平均直径为520nm，克重为2.88g/cm2的可以过滤杂质的纳米纤维膜。表1是实施例1、实施例2和实施例3条件下制备得到的纳米纤维膜的空气过滤效率和空气阻力数据，(测试设备为TSI8130)表1纳米纤维膜的空气过滤效率和空气阻力数据实施例样品序号过滤效率(％)空气阻力(Pa)198.18352292.44131397.79345表2是实施例1、实施例2和实施例3条件下制备的纳米纤维膜乳液废水处理性能(操作压力0.7Mpa)实施例4取质量约0.1g的实施例1中的纳米纤维膜，于15cm正上方处给予紫外灯(UVA-340)照射5h以上，37℃条件下进行老化试验(参照国家标准GB/T16422.3)。经老化试验后与未老化试验的材料分别拍摄扫描电子显微镜，观察其材料纤维形态。从图2中可以看出在老化试验前后该纳米纤维均保持较好的形态和结构，可以证明该材料具有很好的耐日光性，适合于暴露于阳光下的口罩或者空气过滤设备的应用。