一种自驱动式压电防霾纱窗的制作方法

本实用新型属于驻极体空气净化技术领域，具体涉及一种自驱动式压电防霾纱窗。

背景技术：

进入秋冬季节，室外雾霾天气肆虐，室内雾霾防护同样不可忽视。据世界卫生组织统计显示，全球每年因室内污染而致命的人数高达430万人。人们每天几乎有80％的时间是在室内度过的，随着雾霾气候的日益严重，办公和家居环境中的空气净化设备越来越得到重视。保障室内空气净化，在雾霾来临时才能够保障呼吸健康，最大限度避免雾霾对身体的影响。

空气净化器和新风机是目前广泛应用于室内空气净化的两大传统设备。尽管两种设备都能用作家用空气处理设备，不过，它们的工作原理却有所不同，在处理空气污染过程中也存在一些局限性。空气净化器可以净化室内空气中的烟雾、粉尘和颗粒物等，但是只能将室内空气循环净化，并且必须要房间密闭。而人体呼出的二氧化碳以及室内悬浮甲醛通过空气净化器很难彻底净化清除，所以说空气净化器也只能短时间解决室内空气，不能彻底改善生活空间的空气质量。新风系统可以24小时的将室外空气经过高效过滤和对有害气体的分解清除后向室内输送新鲜洁净的空气，不管室内的甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氡气，还有人体呼出的二氧化碳都需要经常通风换气排到室外，同时新风系统可以将进入室内的外界空气进行高效的过滤吸附和净化。但是新风系统安装要求高，通风管道长且要定期进行清洗，如果用户不能定期清理而长期过度使用，将造成空气的二次污染，对健康造成更大危害。

为了弥补空气净化器和新风系统存在的局限，使大家在室内活动时获得更多开窗通风换气的机会，防霾纱窗成为第三类室内空气净化装置，可以在开窗换气的过程中直接利用新型防霾窗纱过滤吸附雾霾，将其挡在室外。使用过程中，防霾纱窗拆卸安装清洗更为方便快捷。

现有技术研制的防霾纱窗，是在传统纱窗材质结构基础上，采用过滤材料进行过滤吸附雾霾颗粒物，主要分为物理阻隔、静电吸附和核孔膜技术。传统的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，通过纤维网格对空气微粒进行捕获和过滤。但是纤维网格过滤主要针对粒径和重力比较大的颗粒物，对于过滤微纳米级别的颗粒物的效果并不理想。如果进一步减小滤网孔径，增加纤维的密实度，则空气阻力随之也增大，影响防霾纱窗透气性。

核孔膜又名核径迹蚀刻膜，是国外70年代发展起来的一种新型微孔滤膜。这种膜是利用核反应堆中的热中子使铀235裂变，裂变产生的碎片穿透有机高分塑料薄膜，在裂变碎片经过的路径上留下一条狭窄的辐照损伤通道。该通道经氧化后，用适当的化学试剂蚀刻，即可把薄膜上的通道变成圆柱状微孔。控制核反应堆的辐照条件和蚀刻条件，就可以得到不同孔密度和孔径的核孔膜。核孔膜技术制成的防霾窗纱表面分布着大大小小的微米孔径的圆孔，用于过滤雾霾颗粒，但同样存在透气性问题。

针对现阶段防霾纱窗过滤材料存在的上述问题，一些功能型吸附过滤材料，如驻极体材料引起了研究人员的关注。驻极体空气过滤材料具有高效、低阻、节能、抗菌等优点，是一类非常有应用前景的新型空气过滤材料。这类材料除了惯性碰撞、拦截效应、扩散效应等传统滤料作用机理外，还通过库仑力实现对空气微粒的捕获。当空气微粒经过过滤器时，静电力不仅能有效地吸引带电微粒，而且以静电感应效应捕获极化的中性粒子，因此具有极高的过滤效率。即使相对稀疏的网格构造，也能实现各种尺寸尤其是维系雾霾颗粒物的吸附和过滤，保证了室外空气畅通无阻的通过防霾纱窗，具有高透气性。尤其是驻极体压电材料，受到外界压力刺激以后表面束缚电荷发生变化，有效静电荷可以反复再生。这种材料极化加工工艺简单，原材料成本低廉。由于电荷可通过简单外界压力刺激而快速再生，因而能够实现静电材料的可重复使用。该材料的静电吸附效应不仅吸附效率高、风阻低，且无需外加高压输入，因而不产生臭氧，非常适合于用作多功能防霾纱窗的过滤材料，减少了二次污染，实现真正意义上的环保。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种自驱动式压电防霾纱窗，其包括复合压电过滤网和产压设备。当室外空气流通经过所述纱窗进入室内时，使用所述防霾纱窗，并利用产压设备在复合压电过滤网表面产生的微弱震动即可实现利用静电相互作用吸附中的雾霾颗粒物。

本实用新型提供如下技术方案：

一种自驱动式压电防霾纱窗，所述防霾纱窗包括复合压电过滤网和产压设备；所述复合压电过滤网包括复合压电过滤层，所述复合压电过滤层包括支撑网格骨架和覆在支撑网格骨架表面的具有压电效应的聚偏氟乙烯纳米复合材料，所述聚偏氟乙烯纳米复合材料包括聚偏氟乙烯以及表面羧基修饰的碳纳米材料或表面羧基修饰的氧化石墨烯片层，其中，聚偏氟乙烯的结晶晶型以β相为主。

在本实用新型的一个优选方案中，所述防霾纱窗还包括设置在所述复合压电过滤网四周的边框。

在本实用新型的一个优选方案中，所述产压设备为涡轮风机、震动小电机中的至少一种。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤网与产压设备接触或复合压电过滤网与产压设备相互靠近且产压设备发生压力变化时可以带动复合压电过滤网的压力变化。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤网还包括防霾粗效过滤层，所述防霾粗效过滤层设置在复合压电过滤层的一侧。所述防霾粗效过滤层的厚度为0.5-1mm，网孔大小为20-200μm。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤网还包括复合压电保护层，所述复合压电保护层设置在复合压电过滤层一侧。所述复合压电保护层的厚度为0.5-1mm，网孔大小为2-100μm。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤网还包括防霾粗效过滤层和复合压电保护层，所述防霾粗效过滤层和复合压电保护层分别设置在复合压电过滤层两侧。

在本实用新型的一个优选方案中，所述支撑网格骨架的厚度为0.5-1mm，网孔大小为200-1000μm。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤层中聚偏氟乙烯纳米复合材料的质量为20-50g/m²(支撑网格骨架)。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤层的厚度为0.5-1mm，网孔大小为2-100μm。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型的自驱动式压电防霾纱窗包括复合压电过滤网和产压设备，所述产压设备产生压力，并利用所述复合压电过滤网的压电效应，实现对大气中的各种尺寸颗粒物，尤其是危害最大的极细雾霾颗粒物的静电吸附和过滤。

2.本实用新型的自驱动式压电防霾纱窗是利用产压设备，如涡轮风机或者震动小电机的外力作用下对复合压电过滤网提供压力，并使其迅速产生静电荷。

3.本实用新型的自驱动式压电防霾纱窗还可以利用风力或气流冲击对所述复合压电过滤网产生的压电效应，实现对大气中的各种尺寸颗粒物，尤其是危害最大的极细雾霾颗粒物的静电吸附和过滤。

4.本实用新型的自驱动式压电防霾纱窗的边框采用铝合金材质，其具有轻便、固定作用强等优势；所述自驱动式压电防霾纱窗的衔接配件采用PVC材质；所述自驱动式压电防霾纱窗分体装配，解决了传统纱窗与窗框之间缝隙太大，封闭不严的问题，使用起来安全美观且密封效果好。

5.本实用新型的自驱动式压电防霾纱窗是利用表面羧基修饰的碳纳米材料或表面羧基修饰的氧化石墨烯片层与聚偏氟乙烯(PVDF)相互作用，对PVDF进行改性，改性后的PVDF的结晶晶型以β相为主，是一类典型的压电高分子驻极体材料，具有灵敏度极高的压电效应。

所谓压电效应是指，某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而发生形变时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外加压力去掉后形变消失，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。表面羧基修饰的碳纳米材料或表面羧基修饰的氧化石墨烯片层与聚偏氟乙烯(PVDF)共混得到的纳米复合材料在产压设备的作用下，可以产生微小形变，引起其表面束缚电荷的变化，从而与空气中的雾霾颗粒物产生静电相互作用，吸附各种尺寸尤其是微小尺寸的雾霾颗粒物，达到净化空气的作用。

附图说明

图1为本实用新型的一个方案中所述的自驱动式压电防霾纱窗的结构示意图，其中，1-边框、2-复合压电过滤网、3-产压设备。

图2为本实用新型的一个方案中所述的复合压电过滤网的结构示意图，其中，21-防霾粗效过滤层、22-复合压电过滤层、23-复合压电保护层。

图3为本实用新型实施例2的复合压电过滤网在不同档震动强度下的压电效应图。

图4为本实用新型实施例3的复合压电过滤网在不同条件下的雾霾颗粒吸附效果图。

具体实施方式

如前所述，本实用新型提供一种自驱动式压电防霾纱窗，所述防霾纱窗包括复合压电过滤网和产压设备；所述复合压电过滤网包括复合压电过滤层，所述复合压电过滤层包括支撑网格骨架和覆在支撑网格骨架表面的具有压电效应的聚偏氟乙烯纳米复合材料，所述聚偏氟乙烯纳米复合材料包括聚偏氟乙烯以及表面羧基修饰的碳纳米材料或表面羧基修饰的氧化石墨烯片层，其中，聚偏氟乙烯的结晶晶型以β相为主。

在本实用新型的一个优选方案中，所述防霾纱窗的大小和形状没有具体的限定，本领域技术人员可以理解，与其使用的位置和场所相适配即可。例如其安装在室内和室外的交界处，如门窗，则其形状和大小与门窗的形状和大小相适配；例如其安装在雾霾颗粒物严重的工厂外围，其根据具体的外围尺寸和待处理的空气面积进行设置。

在本实用新型的一个优选方案中，所述防霾纱窗还包括设置在所述复合压电过滤网四周的边框，本领域技术人员可以理解，所述边框的形状与大小与其使用的位置和场所相适配即可。对所述边框的材质没有具体的限定，本领域技术人员可以理解，其可以固定所述复合压电过滤网且不会对静电吸附产生不利作用的任一种材质均可，例如所述边框的材质为铝合金。

在本实用新型的一个优选方案中，所述产压设备没有具体的限定，本领域技术人员知晓的任一种能产生压力变化的设备均可，例如为涡轮风机、震动小电机等其中的至少一种。本领域技术人员可以理解，所述产压设备可以是通过外力作用提供动力，示例性地，所述涡轮风机或者震动小电机通过可充电电池提供动力。优选地，所述可充电电池为商用的本领域技术人员知晓的任一种电池。

在本实用新型的一个优选方案中，所述产压设备位于所述防霾纱窗中的复合压电过滤网的任意位置，只要所述产压设备发生压力变化时可以带动所述复合压电过滤网的压力变化即可；例如所述复合压电过滤网与产压设备接触或复合压电过滤网与产压设备相互靠近且产压设备发生压力变化时可以带动复合压电过滤网的压力变化。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤网还包括防霾粗效过滤层，所述防霾粗效过滤层设置在复合压电过滤层的一侧。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤网还包括复合压电保护层，所述复合压电保护层设置在复合压电过滤层一侧。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤网还包括防霾粗效过滤层和复合压电保护层，所述防霾粗效过滤层和复合压电保护层分别设置在复合压电过滤层两侧。

其中，所述防霾粗效过滤层的材质为现有技术已知的任一种本领域技术人员知晓的制作传统窗纱的材料，例如为尼龙、玻璃纤维、PP、PET等材料制备得到的防霾粗效过滤层；所述防霾粗效过滤层的厚度为0.5-1mm，网孔大小为20-200μm，用于粗效吸附较大粒径的雾霾颗粒物，并保护复合压电过滤层不被刮伤。

其中，所述复合压电保护层的材质为现有技术已知的任一种本领域技术人员知晓的制作传统窗纱的材料，例如为尼龙、玻璃纤维、PP、PET等材料制备得到的复合压电保护层；所述复合压电保护层的厚度为0.5-1mm，网孔大小为2-100μm，用于吸附大气中的雾霾颗粒物，并保护复合压电过滤层不被刮伤。

优选地，所述防霾粗效过滤层的网孔大小不同，其目的是为了粗效吸附不同粒径的雾霾颗粒物。

优选地，所述复合压电保护层的网孔大小不同，其目的是为了吸附不同粒径的雾霾颗粒物。

优选地，所述防霾粗效过滤层的网孔大小和复合压电保护层的网孔大小不同，其目的是为了吸附不同粒径的雾霾颗粒物。

在本实用新型的一个优选方案中，所述支撑网格骨架为现有技术已知的任一种本领域技术人员知晓的制作传统窗纱的材料，例如为尼龙、玻璃纤维、PP、PET等材料制备得到的支撑网格骨架。

其中，所述支撑网格骨架的厚度为0.5-1mm，网孔大小为200-1000μm。

在本实用新型的一个优选方案中，所述复合压电过滤层中聚偏氟乙烯纳米复合材料的质量为20-50g/m²(支撑网格骨架)。

其中，所述复合压电过滤层的厚度为0.5-1mm，网孔大小为2-100μm。

在本实用新型的一个优选方案中，所述聚偏氟乙烯为现有技术中任一种聚偏氟乙烯；优选地，所述聚偏氟乙烯选自聚偏氟乙烯纳米颗粒，其分子量为40-80万g/mol，例如为50-55万g/mol。

在本实用新型的一个优选方案中，所述表面羧基修饰的碳纳米材料可以是表面羧基修饰的碳纳米颗粒、表面羧基修饰的碳纳米管或表面羧基修饰的碳纳米片。

在本实用新型的一个优选方案中，当选择表面羧基修饰的碳纳米材料时，所述表面羧基修饰的碳纳米材料占所述聚偏氟乙烯纳米复合材料总质量的0.1-10wt％，优选为2wt％。

在本实用新型的一个优选方案中，当选择表面羧基修饰的氧化石墨烯片层时，所述表面羧基修饰的氧化石墨烯片层占所述聚偏氟乙烯纳米复合材料总质量的0.1-2wt％，优选为2wt％。

在本实用新型的一个优选方案中，所述防霾纱窗中的复合压电过滤层采用包括以下步骤的方法制备：

将含有聚偏氟乙烯纳米复合材料的溶液涂覆在支撑网格骨架表面，制备得到的所述复合压电过滤层；或者，将支撑网格骨架浸渍到含有聚偏氟乙烯纳米复合材料的溶液中，再制成复合压电过滤层。

在本实用新型的一个优选方案中，所述防霾纱窗中的复合压电过滤层采用包括以下步骤的方法制备：

a)配制含有聚偏氟乙烯纳米复合材料的溶液；

b)将步骤a)的含有聚偏氟乙烯纳米复合材料的溶液涂覆在支撑网格骨架表面，固化，制备得到所述复合压电过滤层；或者，

b’)将支撑网格骨架浸渍到步骤a)的含有聚偏氟乙烯纳米复合材料的溶液中，固化，编制成所述复合压电过滤层。

其中，步骤a)中，所述溶液中的溶剂选自DMF。

其中，步骤a)中，所述含有聚偏氟乙烯纳米复合材料的溶液中的聚偏氟乙烯纳米复合材料的质量浓度为5-30wt％，优选为6-20wt％，例如为8-10wt％。

其中，步骤b)中，所述涂覆优选为压力涂覆，所述压力涂覆是利用喷枪将含有聚偏氟乙烯纳米复合材料的溶液均匀地喷涂在支撑网格骨架表面，所述喷涂的流量(或速率)为1ml/s。

其中，步骤b)和b’)中，所述的固化可以是在室温下干燥1-3小时，或者在40-50℃下烘烤5-20min。

在本实用新型的一个优选方案中，所述聚偏氟乙烯纳米复合材料采用包括以下步骤的方法制备：

1)将表面羧基修饰的碳纳米材料或表面羧基修饰的氧化石墨烯片层和聚偏氟乙烯溶解在有机溶剂中，超声分散后离心，收集上清液；

2)将步骤1)的上清液浇铸成膜，固化，制备得到所述聚偏氟乙烯纳米复合材料。

其中，步骤1)中，所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、丙酮等。

其中，步骤1)中，所述超声时间为30min。

其中，步骤2)中，所述浇铸成膜是将上述制备的聚偏氟乙烯和表面羧基修饰的碳纳米管材料或氧化石墨烯片层碳纳米材料的混合溶液，按照一定的量倒入模具中，并将其固化成型。

其中，步骤2)中，所述固化是在干燥箱中进行，所述固化的温度为50-80℃，所述固化的时间为12个小时以上，例如可以是在70℃下固化15小时。

其中，所述聚偏氟乙烯为现有技术中任一种聚偏氟乙烯；优选地，所述聚偏氟乙烯选自聚偏氟乙烯纳米颗粒，其分子量为40-80万g/mol，例如为50-55万g/mol。

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。此外，应理解，在阅读了本实用新型所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本实用新型所限定的保护范围之内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种自驱动式压电防霾纱窗，所述防霾纱窗包括复合压电过滤网2、产压设备3和设置在所述复合压电过滤网2四周的边框1；所述复合压电过滤网2包括依次设置的防霾粗效过滤层21、复合压电过滤层22和复合压电保护层23，所述复合压电过滤层22包括支撑网格骨架和覆在支撑网格骨架表面的具有压电效应的聚偏氟乙烯纳米复合材料，所述聚偏氟乙烯纳米复合材料包括聚偏氟乙烯以及表面羧基修饰的碳纳米材料或表面羧基修饰的氧化石墨烯片层，其中，聚偏氟乙烯的结晶晶型以β相为主。

其中，所述产压设备3位于所述防霾纱窗中的复合压电过滤网的底部，且所述产压设备3发生压力变化时可以带动所述复合压电过滤网的压力变化。

其中，所述防霾粗效过滤层21的材质为玻璃纤维；所述防霾粗效过滤层21的厚度为0.5-1mm，网孔大小为20-200μm，用于粗效吸附较大粒径的雾霾颗粒物，并保护复合压电过滤层不被刮伤。

其中，所述复合压电保护层23的材质为尼龙；所述复合压电保护层22的厚度为0.5-1mm，网孔大小为2-100μm，用于吸附大气中的雾霾颗粒物，并保护复合压电过滤层不被刮伤。

其中，所述支撑网格骨架的材质PP；所述支撑网格骨架的厚度为0.5-1mm，网孔大小为200-1000μm。

其中，所述复合压电过滤层22中，所述聚偏氟乙烯纳米复合材料的质量为20-50g/m²(支撑网格骨架)。

其中，所述复合压电过滤层22的厚度为0.5-1mm，网孔大小为2-100μm。

实施例2

利用实施例1的自驱动式压电防霾纱窗对大气中雾霾颗粒物进行吸附，其中所述产压设备选自震动小电机，将其贴附于所述复合压电过滤网表面，所述震动小电机有3档可调。当所述震动小电机开始启动时，由于风压的作用，所述复合压电过滤网产生微小形变，并快速产生大量静电荷。通过调节当风速逐渐增加时，其压电效应更为显著，如图3所示。

从图3中可以看出，随时震动小电机压力强度的增强，所述压电防霾纱窗中复合压电过滤网的压电效应更为显著，其中，图3中的(a)为低档时，其最高电流为0.5e^-6A，图3中的(b)为中档时，其最高电流为0.8e^-6A，图3中的(c)为高档时，其最高电流为1.0e^-6A。

实施例3

利用实施例1的自驱动式压电防霾纱窗对大气中雾霾颗粒物进行吸附，其中所述产压设备选自震动小电机，将其贴附于所述复合压电过滤网表面。当所述震动小电机静止时，大气中的雾霾颗粒物在自然沉降作用下吸附微量雾霾颗粒，具体如图4中的(a)所示；当所述震动小电机开始启动时，由于风压的作用，所述复合压电过滤网产生微小形变，并快速产生大量静电荷，具体如图4中的(b)-图4中的(d)所示。

从图4中可以清楚看出，所述自驱动式压电防霾纱窗在产压设备的压力作用下，复合压电过滤网能够快速产生大量的静电荷，对大气中的雾霾颗粒物进行有效吸附。

以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。