本发明属于过滤材料制备技术领域，具体涉及一种用于高流速、高风速场景的纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法及其产品。
背景技术：
近年来，随着国家经济的高速发展，工业化和城市化进程日益加快，化石能源过度燃烧，大气污染问题日益严重。工业废气和汽车尾气的过度排放使空气质量逐年下降，雾霾天气频现，严重影响人们的身心健康。采用过滤器件对工业废气和汽车尾气进行处理，可改善空气质量；在雾霾天佩戴防雾霾口罩可以大大减少人体pm2.5的吸入量，保障人体健康。
传统的过滤用纳米纤维主要是通过机械拦截和静电吸附来滤除颗粒和杂质，这种材料在低风速、低流速的条件下有较好的过滤效果；但是随着风速和流速地升高，其过滤效果不断变差；从生态环境保护、人体健康角度出发，对适用于高流速、高风速场景，且在高流速、高风速下具有较好过滤效果的过滤材料具有实际需求。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法及其产品，其目的在于提高过滤材料在高流速、高风速下的过滤效果。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法，具体包括下列步骤：
(1)将有机压电材料或有机静电吸附材料作为母体材料与无机压电材料或静电吸附纳米材料、以及溶剂混合，在预设温度下搅拌使有机压电材料或有机静电吸附材料溶解、使无机压电材料或静电吸附纳米材料均匀分散，获得具有黏度的纺丝液；
(2)采用静电纺丝方法对得到的纺丝液进行纺丝，在衬底上接收静电纺丝纳米纤维，形成纳米纤维薄膜；
(3)对获得的纳米纤维薄膜进行退火、极化、裁剪、材料再极化处理，获得适用于高流速、高风速场景的纳米纤维薄膜过滤材料。
优选的，上述纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法，其步骤(1)所采用的有机压电材料选自于聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯，官能团嫁接聚偏二氟乙烯、官能团嫁接聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物、官能团嫁接聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、官能团嫁接聚甲基丙烯酸甲酯等压电高分子聚合物及其共聚物中的一种或几种。
优选的，上述纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法，其步骤(1)所采用的有机静电吸附材料选自于聚丙烯腈、聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚苯乙烯、聚乳酸、官能团嫁接聚丙烯腈、官能团嫁接聚醚酰亚胺、官能团嫁接聚乙烯醇、官能团嫁接聚氧化乙烯、官能团嫁接聚苯乙烯、官能团嫁接聚乳酸等静电吸附高分子聚合物及其共聚物中的一种或几种。
优选的，上述纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法，其步骤(1)所采用的无机压电材料的纳米结构为具有纳米颗粒，纳米片、纳米纤维中的一种或几种的结构；无机压电材料选自于钛酸钡、铌酸钾钠、锆钛酸铅、氧化锌、锆钛酸钡、钙钛酸钡，金属或非金属掺杂钛酸钡、金属或非金属掺杂铌酸钾钠、金属或非金属掺杂锆钛酸铅、金属或非金属掺杂氧化锌、金属或非金属掺杂锆钛酸钡、金属或非金属掺杂钙钛酸钡，官能团化钛酸钡、官能团化铌酸钾钠、官能团化锆钛酸铅、官能团化氧化锌、官能团化锆钛酸钡、官能团化钙钛酸钡等具有压电效应的材料及其复合材料中的一种或几种。
优选的，上述纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法，其步骤(1)所采用的静电吸附纳米材料的纳米结构为具有纳米颗粒、纳米片、纳米纤维中的一种或几种的结构；静电吸附纳米材料选自于聚四氟乙烯、氟化乙丙烯共聚物、硅基二氧化硅、硅基氮化硅、金属或非金属掺杂聚四氟乙烯、金属或非金属掺杂氟化乙丙烯共聚物、金属或非金属掺杂硅基二氧化硅、金属或非金属掺杂硅基氮化硅、官能团化聚四氟乙烯、官能团化氟化乙丙烯共聚物、官能团化硅基二氧化硅、官能团化硅基氮化硅等具有静电吸附能力的材料及其复合材料中的一种或几种。
优选的，上述纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法，其步骤(1)所采用的溶剂为丙酮、甲苯、去离子水、n,n二甲基甲酰胺、n,n二甲基乙酰胺、乙醇、n-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、氯仿中的一种或几种。
优选的，上述纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法，其步骤(2)采用静电纺丝方法对纺丝液进行纺丝所采用的纺丝电压在8kv～35kv之间或者-8kv～-35kv之间，纺丝所用喷射装置与纺丝收集器间的距离在5cm～35cm之间，纺丝液的流速在0.1ml/h～4.0ml/h之间。
按照本发明的另一方面，提供了一种纳米纤维薄膜过滤材料，由有机压电材料或有机静电吸附材料作为母体材料与溶剂、无机压电材料或静电吸附纳米材料混合制得的纺丝液通过静电纺丝法进行纺丝构成的纳米纤维薄膜进行退火、极化、裁剪、材料再极化处理获得；该纳米纤维薄膜过滤材料在静电吸附材料的基础上加入压电材料，通过受力正负电荷中心分离产生电场来吸附杂质和颗粒，空气流速越快其所产生的电场越强，在保留材料静电吸附过滤效果的同时引入压电性能，在高流速和高风速场景下有更佳的过滤效果；另一方面，由于其所具有的纳米结构，这种纳米纤维薄膜形态的过滤材料的电荷存储能力、电荷稳定性、疏水性及抗湿性均很好。
上述用于高流速场景的纳米纤维薄膜过滤材料，其纳米纤维直径为0.1～1.6微米，纳米纤维膜厚度为0.1～3000微米。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法所制备的纳米纤维薄膜具有直径小、无团聚、纤维均一、孔隙率高、比表面积高的优点，对颗粒和杂质的过滤性能更佳。
(2)本发明提供的纳米纤维薄膜过滤材料是静电与压电复合材料的纳米纤维薄膜，在保留静电材料过滤效果的同时增强了材料的压电性能，通过受力正负电荷中心分离产生电场来吸附杂质和颗粒，空气流速越快，其产生的电场越强；相比于传统的静电吸附材料，本发明提供的这种纳米纤维薄膜过滤材料在高流速和高风速场景下对杂质和颗粒有更强的吸附力，更好的过滤效果；另一方面，由于具有纳米结构，这种纳米纤维薄膜形态的过滤材料的电荷存储能力、电荷稳定性、疏水性及抗湿性均很好；将其作为过滤部件，在空气净化、防雾霾口罩、工业废气、汽车尾气处理等特别是高流速场景下有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明所提供的纳米纤维薄膜过滤材料的吸附原理示意图。
图2是实施例1的母体材料为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物和纳米钛酸钡颗粒复合的静电纺丝纳米纤维的扫描电镜图片。
图3是实施例1的母体材料为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物和纳米钛酸钡颗粒复合的静电纺丝纳米纤维薄膜的实物图。
图4是实施例2的母体材料为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物和纳米氧化锌颗粒复合的静电纺丝纳米纤维的扫描电镜图片。
图5是实施例2的母体材料为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物和纳米氧化锌颗粒复合的静电纺丝纳米纤维薄膜的实物图。
图6是实施例3的母体材料为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的静电纺丝纳米纤维薄膜在不同克重情况下的过滤效率及压降示意图。
图7是实施例3的母体材料为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物的静电纺丝纳米纤维薄膜在不同流速情况下的过滤效率及压降示意图。
图8是实施例1的母体材料为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物和纳米钛酸钡颗粒复合的静电纺丝纳米纤维薄膜在不同克重情况下的过滤效率及压降示意图。
图9是实施例1的母体材料为聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物和纳米钛酸钡颗粒复合的静电纺丝纳米纤维薄膜在不同流速情况下的过滤效率及压降示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-有机无机复合纳米纤维、2-纳米纤维吸附的颗粒或杂质、3-压电材料纳米纤维在高流速流体流过时正负电荷中心发生分离的对外显示电场、4-高流速流体流过纳米纤维。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的纳米纤维薄膜过滤材料的制备方法，具体包括下列步骤：
(1)将有机压电材料或有机静电吸附材料作为母体材料与无机压电材料或静电吸附纳米材料、溶剂混合，在预设温度下搅拌设定时长使有机压电材料或有机静电吸附材料溶解、无机压电材料或静电吸附纳米材料均匀分散，获得具有黏度的纺丝液；
(2)采用静电纺丝方法对得到的纺丝液进行纺丝，在衬底上接收静电纺丝纳米纤维，形成纳米纤维薄膜；
(3)对纳米纤维薄膜进行退火、极化、裁剪、再极化处理，获得用于高流速场景的纳米纤维薄膜过滤材料。
其中，步骤(1)所采用的有机压电材料选自于聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯，官能团嫁接聚偏二氟乙烯、官能团嫁接聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物、官能团嫁接聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物、官能团嫁接聚甲基丙烯酸甲酯等压电高分子聚合物及其共聚物中的一种或几种。
步骤(1)所采用的有机静电吸附材料选自于聚丙烯腈、聚醚酰亚胺、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚苯乙烯、聚乳酸、官能团嫁接聚丙烯腈、官能团嫁接聚醚酰亚胺、官能团嫁接聚乙烯醇、官能团嫁接聚氧化乙烯、官能团嫁接聚苯乙烯、官能团嫁接聚乳酸等静电吸附高分子聚合物及其共聚物中的一种或几种。
步骤(1)所采用的无机压电材料的纳米结构为具有纳米颗粒，纳米片、纳米纤维中的一种或几种的结构；无机压电材料选自于钛酸钡、铌酸钾钠、锆钛酸铅、氧化锌、锆钛酸钡、钙钛酸钡，金属或非金属掺杂钛酸钡、金属或非金属掺杂铌酸钾钠、金属或非金属掺杂锆钛酸铅、金属或非金属掺杂氧化锌、金属或非金属掺杂锆钛酸钡、金属或非金属掺杂钙钛酸钡，官能团化钛酸钡、官能团化铌酸钾钠、官能团化锆钛酸铅、官能团化氧化锌、官能团化锆钛酸钡、官能团化钙钛酸钡等具有压电效应的材料及其复合材料中的一种或几种。
步骤(1)所采用的静电吸附纳米材料的纳米结构为具有纳米颗粒，纳米片、纳米纤维中的一种或几种的结构；静电吸附材料选自于聚四氟乙烯、氟化乙丙烯共聚物、硅基二氧化硅、硅基氮化硅、金属或非金属掺杂聚四氟乙烯、金属或非金属掺杂氟化乙丙烯共聚物、金属或非金属掺杂硅基二氧化硅、金属或非金属掺杂硅基氮化硅、官能团化聚四氟乙烯、官能团化氟化乙丙烯共聚物、官能团化硅基二氧化硅、官能团化硅基氮化硅等具有静电吸附能力的材料及其复合材料中的一种或几种。
步骤(1)所采用的溶剂为丙酮、甲苯、去离子水、n,n二甲基甲酰胺、n,n二甲基乙酰胺、乙醇、n-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃、氯仿中的一种或几种。
实施例中，步骤(2)采用静电纺丝方法对得到的纺丝液进行纺丝所采用的纺丝电压在8kv～35kv之间或者-8kv～-35kv之间，纺丝所用喷射装置与纺丝收集器间的距离在5cm～35cm之间，纺丝液的流速在0.1ml/h～4.0ml/h之间。所获得的纳米纤维直径在0.1～1.6微米之间，纳米纤维膜厚度在0.1～3000微米之间。
参照图1，是本发明提供的用于高流速场景的纳米纤维薄膜过滤材料的一个实施例的工作原理示意图，其中1表示有机无机复合纳米纤维，4示意的是高流速流体流过纳米纤维，3示意的是压电材料纳米纤维在高流速流体流过时其正负电荷中心发生分离，对外显示电场；2表示纳米纤维吸附的颗粒或杂质。该过滤材料随着气体流速地加快，静电材料的吸附能力减弱，而压电材料受力增强，其正负电荷中心分离距离越大，对外显示电场更强，更利于吸附颗粒或杂质。
以下结合具体实施例进一步解释本发明提供的制备方法。
实施例1
(1)将3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料和1g钛酸钡纳米颗粒与7.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺密封混合，在55摄氏度下搅拌3小时，得到纺丝液；
(2)将得到的纺丝液加入到注射器中，并将针头与高压电源相连，设置纺丝电压为25kv，纺丝距离为10厘米，纺丝液的流速为1.5ml/h；获得直径为600纳米的静电纺丝纳米纤维，用金属滚轴进行接收，经1.5小时的纺丝后制得静电纺丝纳米纤维薄膜；
(3)对得到的静电纺丝纳米纤维薄膜进行退火、极化、裁剪、再极化处理，获得用于高流速场景的纳米纤维薄膜过滤材料。
实施例2
(1)将3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料和0.2g氧化锌纳米颗粒与7.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺密封混合，在55摄氏度下搅拌3小时，得到纺丝液；
(2)将上述的纺丝液加入到注射器中，并将针头与高压电源相连，设置纺丝电压为20kv，纺丝距离为13厘米，纺丝液的流速为2ml/h；获得直径为750纳米的静电纺丝纳米纤维，用金属滚轴进行接收，经1小时的纺丝后制得静电纺丝纳米纤维薄膜；
(3)对得到的静电纺丝纳米纤维薄膜进行退火、极化、裁剪、再极化处理，获得用于高流速场景的纳米纤维薄膜过滤材料。
实施例3
(1)将3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料与8.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺密封混合，在55摄氏度下搅拌3小时，得到纺丝液；
(2)将上述的纺丝液加入到注射器中，并将针头与高压电源相连，设置纺丝电压为20kv，纺丝距离为15厘米，纺丝液的流速为2ml/h；获得直径为800纳米的静电纺丝纳米纤维，用金属滚轴进行接收，经1小时的纺丝后制得静电纺丝纳米纤维薄膜。
(3)对得到的静电纺丝纳米纤维薄膜进行退火、极化、裁剪、再极化处理，获得用于高流速场景的纳米纤维薄膜过滤材料。
图2所示，是实施例1中，3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料和1g钛酸钡纳米颗粒与7.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺组成的混合溶液制备出的静电纺丝纳米纤维在扫描电镜下的表面形貌。
图3所示，是实施例1中，3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料和1g钛酸钡纳米颗粒与7.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺组成的混合溶液静电纺丝1.5小时制备出的静电纺丝纳米纤维薄膜的实物图。
图4所示，是实施例2中，3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料和0.2g氧化锌纳米颗粒与7.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺组成的混合溶液制备出的静电纺丝纳米纤维在扫描电镜下的表面形貌。
图5所示，是实施例2中，3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料和0.2g氧化锌纳米颗粒与7.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺组成的混合溶液静电纺丝1小时制备出的静电纺丝纳米纤维薄膜的实物图。
图6所示，是实施例3中，3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料与8.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺组成的混合溶液静电纺丝制备出的静电纺丝纳米纤维薄膜在不同克重情况下的过滤效率及压降,当克重为6.2g/m2时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为96.8％，压降仅为78pa。
图7所示，是实施例3中，3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料与8.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺组成的混合溶液静电纺丝制备出的克重为4.6g/m2静电纺丝纳米纤维薄膜在不同流速情况下的过滤效率及压降，当流速为20l/min时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为93.0％，压降仅为44pa；当流速为30l/min时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为94.9％，压降仅为54pa；当流速为40l/min时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为96.2％，压降仅为78pa；当流速为50l/min时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为96.3％，压降仅为102pa。
图8所示，是实施例1中，3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料和1g钛酸钡纳米颗粒与7.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺组成的混合溶液静电纺丝制备出的静电纺丝纳米纤维薄膜在不同克重情况下的过滤效率及压降，当克重为6.9g/m2时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为98.8％，压降仅为79pa。
图9所示，是实施例1中，3.0g聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物作为母体材料和1g钛酸钡纳米颗粒与7.2g丙酮和3.6gn,n二甲基甲酰胺组成的混合溶液静电纺丝制备出的克重为5.2g/m2静电纺丝纳米纤维薄膜在不同流速情况下的过滤效率及压降，当流速为20l/min时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为96.8％，压降仅为43pa；当流速为30l/min时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为98.1％，压降仅为54pa；当流速为40l/min时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为98.8％，压降仅为76pa；当流速为50l/min时其对0.3微米的nacl气溶胶过滤效率为99.0％，压降仅为100pa。
上述实测数据表明，本发明所制备的用于高流速场景的纳米纤维薄膜过滤材料，在高流速场景下对杂质和颗粒有更强的吸附力，更好的过滤效果。将该纳米纤维薄膜过滤材料作为过滤器件的核心部件，在空气净化、防雾霾口罩、工业废气、汽车尾气处理等特别是高流速场景下有广阔的应用市场。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。