纳米纤维过滤器及其制造方法与流程

本发明涉及过滤器，更具体地说，涉及一种纳米纤维过滤器及其制造方法。

背景技术：

空气污染是世界上主要的环境健康风险。人们不仅需要户外个人防护，还需要适当的空气过滤器，以有效保护室内空气质量，同时保持足够的通风。暖通空调(heating,ventilation,andair-conditioning，hvac)系统的主要目的是通过使用过滤的充分通风来帮助保持良好的室内空气质量并提供热舒适性。适当的空气过滤和hvac系统的维护将为建筑物的居住者带来更好的条件和空气质量，并且提高hvac系统的效率和寿命。建筑物通风系统内的常规hvac空气过滤器可以阻挡空气中的微粒。但是，这些过滤器不具备去除挥发性有机物vocs(volatileorganiccompounds，vocs)和杀死空气传播的病原体的能力。因此需要开发一种能够去除vocs并杀死细菌的过滤器。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种纳米纤维过滤器，能够去除vocs并杀死细菌。本发明所提供的纳米纤维过滤器包括至少一纳米纤维层和至少一基层，所述纳米纤维层包括含有金属掺杂纳米活性吸收颗粒的疏水性合成聚合物，所述纳米纤维层通过静电纺丝工艺形成在所述基层上。

根据本发明的纳米纤维过滤器的一实施例，所述疏水性合成聚合物为聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、尼龙、聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯。

根据本发明的纳米纤维过滤器的一实施例，所述金属掺杂纳米活性吸收颗粒为掺杂有银离子、锌离子或锰离子的活性炭、沸石或气凝胶颗粒。

根据本发明的纳米纤维过滤器的一实施例，所述基层为聚合物骨架非织造膜或聚合物粗过滤膜，所述基层由聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二酯制成。

根据本发明的纳米纤维过滤器的一实施例，所述纳米纤维过滤器包括一纳米纤维层和两基层，所述两基层中的第一基层和第二基层层叠设置，所述第一基层为聚合物骨架非织造膜，所述第二基层为聚合物粗过滤膜，所述纳米纤维层形成在所述第一基层上。

根据本发明的纳米纤维过滤器的一实施例，所述纳米纤维过滤器包括两纳米纤维层和一基层，所述两纳米纤维层中的第一纳米纤维层相对于第二纳米纤维层具有较高的孔隙率、较小的孔径和较大的厚度，所述基层位于所述第一纳米纤维层和第二纳米纤维层之间。

根据本发明的纳米纤维过滤器的一实施例，所述纳米纤维过滤器包括两纳米纤维层和两基层，所述两基层位于两纳米纤维层之间，所述两基层中的第一基层和第二基层层叠设置，所述第一基层为聚合物骨架非织造膜，所述第二基层为聚合物粗过滤膜，所述两纳米纤维层中的第一纳米纤维层形成在所述第一基层上，第二纳米纤维层形成在所述第二基层上，所述第一纳米纤维层相对于所述第二纳米纤维层具有较高的孔隙率、较小的孔径和较大的厚度。

本发明的另一目的在于提供一种纳米纤维过滤器的制造方法，根据该方法制造出纳米纤维过滤器能够去除vocs并杀死细菌。本发明所提供的纳米纤维过滤器制造方法包括以下步骤：

提供至少一基层；

利用静电纺丝工艺在所述基层上形成至少一纳米纤维层；

所述纳米纤维层包括含有金属掺杂纳米活性吸收颗粒的疏水性合成聚合物。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述金属掺杂纳米活性吸收颗粒通过以下方法制得：

将无机纳米颗粒与至少一种含金属离子的盐溶液交换至原始金属离子含量小于30％；

洗涤去除多余的盐；

在90～150摄氏度的温度下干燥交换得到的无机纳米颗粒以获得所述金属掺杂纳米活性吸收颗粒；

所述无机纳米颗粒为沸石、活性炭或气凝胶颗粒，所述金属离子为银离子、铜离子或锰离子。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述利用静电纺丝工艺在所述基层上形成一纳米纤维层包括：

将所述疏水性合成聚合物溶解在有机溶剂中以获得纺丝混合物，所述有机溶剂中添加有金属掺杂纳米活性吸收颗粒；

利用静电纺丝工艺将所述纺丝混合物在所述基层上纺丝以形成纳米纤维层。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述有机溶剂中添加有用于加速静电纺丝过程中有机溶剂挥发的添加剂，所述添加剂为丙酮、乙醇或丁酮，所述添加剂的重量为所述有机溶剂重量的10％～90％。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述疏水性合成聚合物为聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、尼龙、聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，所述疏水性合成聚合物的重量为所述有机溶剂重量的4％～13％。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述金属掺杂纳米活性吸收颗粒的重量为所述有机溶剂重量的0.2％～5％。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述静电纺丝工艺中所采用的电压为0.5kv～60kv,进料速率为0.1ml/hr～99.9ml/hr，尖端到集电极的距离为60mm～150mm，转速为0.67mm/min～1339mm/min，喷丝头尺寸为0.06mm～1.2mm。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述基层为聚合物骨架非织造膜或聚合物粗过滤膜，所述基层由聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二酯制成。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述纳米纤维过滤器包括一纳米纤维层和两基层，所述两基层中的第一基层和第二基层层叠设置，所述第一基层为聚合物骨架非织造膜，所述第二基层为聚合物粗过滤膜，所述纳米纤维层形成在所述第一基层。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述纳米纤维过滤器包括两纳米纤维层和一基层，所述两纳米纤维层中的第一纳米纤维层相对于第二纳米纤维层具有较高的孔隙率、较小的孔径和较大的厚度，所述基层位于所述第一纳米纤维层和第二纳米纤维层之间。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例，所述纳米纤维过滤器包括两纳米纤维层和两基层，所述两基层位于两纳米纤维层之间，所述两基层中的第一基层和第二基层层叠设置，所述第一基层为聚合物骨架非织造膜，所述第二基层为聚合物粗过滤膜，所述两纳米纤维层中的第一纳米纤维层形成在所述第一基层上，第二纳米纤维层形成在所述第二基层上，所述第一纳米纤维层相对于所述第二纳米纤维层具有较高的孔隙率、较小的孔径和较大的厚度。

在本发明的纳米纤维过滤器及其制造方法中，由于在纳米纤维层的疏水性合成聚合物中含有金属掺杂纳米活性吸收颗粒，既可以吸收vocs又能够杀死细菌，与传统空气过滤器相比，这有助于显着改善过滤后的空气质量。此外，由于采用纳米技术，本发明的纳米纤维过滤器的压降明显低于相同过滤效率的传统过滤器。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1a是根据本发明的纳米纤维过滤器的一实施例的结构示意图；

图1b是根据本发明的纳米纤维过滤器的另一实施例的结构示意图；

图1c是根据本发明的纳米纤维过滤器的又一实施例的结构示意图；

图1d是根据本发明的纳米纤维过滤器的又一实施例的结构示意图；

图2是根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例的示意图；

图3a是聚丙烯腈纳米纤维的放大2000倍的扫描电子显微镜图像；

图3b是聚丙烯腈纳米纤维的放大10000倍的扫描电子显微镜图像；

图3c是收集在聚对苯二甲酸乙二醇酯骨架非织造膜上的聚丙烯腈纳米纤维的照片；

图4a是聚偏氟乙烯纳米纤维的放大2000倍的扫描电子显微镜图像；

图4b是聚偏氟乙烯纳米纤维的放大10000倍的扫描电子显微镜图像；

图4c是收集在聚对苯二甲酸乙二醇酯骨架非织造膜上的聚偏氟乙烯纳米纤维的照片；

图5a是根据本申请的纳米纤维过滤器的一实施例中嵌有铜掺杂活性炭的聚偏氟乙烯纳米纤维的2000倍的扫描电子显微镜图像；

图5b是根据本申请的纳米纤维过滤器的一实施例中嵌有铜掺杂活性炭的聚偏氟乙烯纳米纤维的5000倍的扫描电子显微镜图像；

图6a是根据本申请的纳米纤维过滤器的一实施例中嵌有铜掺杂活性炭的聚偏氟乙烯纳米纤维的能谱仪面扫描图；

图6b是根据本申请的纳米纤维过滤器的一实施例中嵌有铜掺杂活性炭的聚偏氟乙烯纳米纤维的能谱仪分析图；

图7是银掺杂沸石在麦康凯琼脂平板上的抗菌试验图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

下面详细描述本发明的纳米纤维过滤器及其制造方法的实施例，这些实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

在本发明的纳米纤维过滤器及其制造方法的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“上端”、“下端”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供了一种纳米纤维过滤器，该纳米纤维过滤器至少包括一纳米纤维层和至少一基层，其中，纳米纤维层包括含有金属掺杂纳米活性吸收颗粒的疏水性合成聚合物，该纳米纤维层通过静电纺丝工艺形成在基层上。由于纳米纤维层含有金属掺杂纳米活性吸附颗粒，可以吸收空气中的vocs，而且掺杂的金属离子则可以杀死空气中的细菌，从而达到除去vocs并杀死细菌的目的。

如图1a所示，为本发明的纳米纤维过滤器的一实施例的示意图，该实施例的纳米纤维过滤器包括一纳米纤维层10和一基层20，纳米纤维层20包括含有金属掺杂纳米活性吸收颗粒的疏水性合成聚合物，疏水性合成聚合物可以是聚丙烯腈(pan)、聚偏氟乙烯(pvdf)、尼龙、聚氯乙烯(pvc)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，以及其他任何常规适用的疏水性合成聚合物，由于采用疏水性合成聚合物，纳米纤维层可以防止水分子在过滤期间侵入。由于含有纳米活性吸收颗粒，纳米纤维层可以除去vocs，这些纳米活性吸收颗粒可以是活性炭、沸石或气凝胶颗粒，以及其他任何常规适用的纳米活性吸收颗粒。为了使得纳米纤维过滤器能够实现抗菌功能，可以将金属离子掺杂到纳米活性吸收颗粒中，金属离子可以是银离子、锌离子或锰离子，以及其他任何常规适用的金属离子。纳米纤维层10通过静电纺丝工艺形成在基层20上，基层20可以是聚合物骨架非织造膜，以做为纳米纤维层的收集体，增强纳米纤维过滤器的机械性能。基层20也可以是聚合物粗过滤膜，用以保持纳米纤维的容量。基层20可以由聚丙烯(pt)或聚对苯二甲酸乙二酯(pet)，以及其他任何常规适用的聚合物制成。

如图1b所示，为本发明的纳米纤维过滤器的另一实施例的示意图，该实施例的纳米纤维过滤器包括一纳米纤维层10和两基层20a、20b,两基层20a、20b中的第一基层20a和第二基层20b层叠设置，第一基层20a和第二基层20b可以通过热轧技术彼此粘附。其中，第一基层20a为聚合物骨架非织造膜，其可以增强纳米纤维过滤器的机械性能，允许过滤介质打褶，纳米纤维层10形成在第一基层20a上。第二基层20b为聚合物粗过滤膜，第二基层20b用于防止大颗粒通过纳米纤维过滤器并保护纳米纤维层10。另外，第二基层20b具有较大的厚度以增强颗粒保持能力。

如图1c所示，为本发明的纳米纤维过滤器的又一实施例的示意图，该实施例的纳米纤维过滤器包括两纳米纤维层10a、10b和一基层20,基层20位于第一纳米纤维10a和第二纳米纤维层10b之间。两纳米纤维层10a、10b中的第一纳米纤维层10a相对于第二纳米纤维层10b具有较高的孔隙率、较小的孔径和较大的厚度,第一纳米纤维层10a和/或第二纳米纤维层20b含有金属掺杂纳米活性吸收颗粒。

如图1d所示，为本发明的纳米纤维过滤器的又一实施例的示意图，该实施例的纳米纤维过滤器包括两纳米纤维层10a、10b和两基层20a、20b，两基层20a、20b位于两纳米纤维层10a、10b之间，两基层20a、20b中的第一基层20a和第二基层20b层叠设置，第一基层20a和第二基层20b可以通过热轧技术彼此粘附,第一基层20a为聚合物骨架非织造膜，第二基层20b为聚合物粗过滤膜，两纳米纤维层10a、10b中的第一纳米纤维层10a形成在第一基层上，第二纳米纤维层10b形成在第二基层20b上，第一纳米纤维层10a相对于第二纳米纤维层10b具有较高的孔隙率、较小的孔径和较大的厚度,第一纳米纤维层10a和/或第二纳米纤维层20b含有金属掺杂纳米活性吸收颗粒。

在本发明的纳米纤维过滤器中，上述各实施例中的基层可以用在其他实施例中，上述各实施例中的纳米纤维层也可以用于其他实施例中。

本发明除了提供一种纳米纤维过滤器之外，还提供了一种纳米纤维过滤器制造方法，该制造方法主要包括以下步骤：提供至少一基层；利用静电纺丝工艺在基层上形成至少一纳米纤维层；其中，纳米纤维层包括含有金属掺杂纳米活性吸收颗粒的疏水性合成聚合物。

基层可以是聚合物骨架非织造膜，以做为纳米纤维层的收集体，增强纳米纤维过滤器的机械性能。基层也可以是聚合物粗过滤膜，用以保持纳米纤维的容量。基层可以由聚丙烯或聚对苯二甲酸乙二酯，以及其他任何常规适用的聚合物制成。

根据本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例的具体步骤可以参看图2，其中，金属掺杂纳米活性吸收颗粒通过以下方法制得：

将无机纳米颗粒101与至少一种含金属离子的盐溶液102交换至原始金属离子含量小于30％(重量)，也即使含金属离子的盐溶液102中70％的原始金属离子交换至无机纳米颗粒中；

洗涤去除多余的盐；

在90～150摄氏度的温度下干燥交换得到的无机纳米颗粒以获得金属掺杂纳米活性吸收颗粒103。

本发明的纳米纤维过滤器制造方法中所采用的无机纳米颗粒可以是沸石、活性炭或气凝胶颗粒，以及其他任何常规适用的无机纳米颗粒，金属离子可以是银离子、铜离子或锰离子，以及其他任何常规适用的金属离子。无机纳米颗粒选用沸石时，可以选用y型、x型和a型沸石，或其他适合的沸石类型。

在本发明的纳米纤维过滤器制造方法中，利用静电纺丝工艺在基层上形成一纳米纤维层包括：

将疏水性合成聚合物溶解在有机溶剂中以获得纺丝混合物，有机溶剂中添加有金属掺杂纳米活性吸收颗粒；

利用静电纺丝工艺将纺丝混合物在基层上纺丝以形成纳米纤维层。

具体是，将疏水性合成聚合104和金属掺杂纳米活性吸附颗粒103添加到有机溶剂中，以形成纺丝混合物105，将纺丝混合物105加入到静电纺丝的注射器107中，通过注射器107下端的泰勒圆锥108纺丝在基层106上形成纳米纤维层，由此形成纳米纤维过滤器。

在本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例中，有机溶剂中添加有用于加速静电纺丝过程中有机溶剂挥发的添加剂，添加剂为丙酮、乙醇或丁酮，以及其他任何常规适用的添加剂，以能加速有机溶剂挥发为宜，添加剂的重量为有机溶剂重量的10％～90％。

在本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例中，疏水性合成聚合物为聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、尼龙、聚氯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，以及其他任何常规适用的疏水性合成聚合物，疏水性合成聚合物的重量为有机溶剂重量的4％～13％。

在本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例中，金属掺杂纳米活性吸收颗粒的重量为有机溶剂重量的0.2％～5％。

在本发明的纳米纤维过滤器制造方法中，静电纺丝设备将制备的纺丝混合物静电纺丝成纳米纤维。考虑到气压降和过滤效率与纳米纤维的孔隙率和厚度有关，可以调整几个静电纺丝参数，如电压，进料速率，尖端到集电极距离和移动速率，以控制纳米纤维的形态、孔隙率和厚度等参数，以获得所期望的纳米纤维的性能。聚合物非织造膜和聚合物粗滤膜都可以可用作收集体以收集静电纺丝形成的纳米纤维。可以通过调节基层的表面密度和静电纺丝参数以获得具有不同过滤效率和压降的hvac纳米纤维过滤器。纳米纤维层的孔隙率和厚度可以通过调节静电纺丝参数来控制，例如电压，尖端到集电极距离，进料速率，移动速度，旋转速度和喷丝头尺寸，以获得具有高过滤效率的复合过滤器，而且压降相对较低。在本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例中，静电纺丝工艺中所采用的电压可以为0.5kv～60kv,进料速率可以为0.1ml/hr～99.9ml/hr，尖端到集电极的距离可以为60mm～150mm，转速可以为0.67mm/min～1339mm/min，喷丝头尺寸可以为0.06mm～1.2mm。

在本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例中，纳米纤维过滤器包括一纳米纤维层和两基层，两基层中的第一基层和第二基层层叠设置，第一基层为聚合物骨架非织造膜，第二基层为聚合物粗过滤膜，纳米纤维层形成在第一基层。

在本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例中，纳米纤维过滤器包括两纳米纤维层和一基层，两纳米纤维层中的第一纳米纤维层相对于第二纳米纤维层具有较高的孔隙率、较小的孔径和较大的厚度，基层位于第一纳米纤维层和第二纳米纤维层之间。

在本发明的纳米纤维过滤器制造方法的一实施例中，纳米纤维过滤器包括两纳米纤维层和两基层，两基层位于两纳米纤维层之间，两基层中的第一基层和第二基层层叠设置，第一基层为聚合物骨架非织造膜，第二基层为聚合物粗过滤膜，两纳米纤维层中的第一纳米纤维层形成在第一基层上，第二纳米纤维层形成在第二基层上，第一纳米纤维层相对于第二纳米纤维层具有较高的孔隙率、较小的孔径和较大的厚度。

图3a和图3b显示了不同放大倍数的聚丙烯腈(pan)纳米纤维的扫描电子显微镜图像，该聚丙烯腈(pan)纳米纤维收集在聚对苯二甲酸乙二酯(pet)骨架非织造膜上。图4a和图4b显示了不同放大倍数的聚偏氟乙烯(pvdf)纳米纤维的扫描电子显微镜图像，该聚偏氟乙烯(pvdf)纳米纤维也收集在聚对苯二甲酸乙二酯(pet)骨架非织造膜上。对比图3c和图4c可以发现，聚偏氟乙烯(pvdf)纳米纤维与聚对苯二甲酸乙二酯(pet)基层相比具有比聚丙烯腈(pan)纳米纤维更好的粘附性。在图3c的图像中，聚丙烯腈(pan)纳米纤维的一部分已与聚对苯二甲酸乙二酯(pet)基层分离，而聚偏氟乙烯(pvdf)纳米纤维在图4c所示的图像中与聚对苯二甲酸乙二酯(pet)基层紧密结合。

图5a、5b示出了利用本发明的纳米纤维过滤器制造方法形成的嵌有铜掺杂活性炭的聚偏氟乙烯(pvdf)纳米纤维的不同倍数的扫描电子显微镜图像。图6a、6b则示出了利用本发明的纳米纤维过滤器制造方法形成的嵌有铜掺杂活性炭的聚偏氟乙烯(pvdf)纳米纤维的能谱仪扫描分析图。由于分析图可以看出纳米纤维层均匀地分布有活性炭和铜，表面通过静电纺丝使铜掺杂活性炭成功地包含于纳米纤维层中。

在本发明的纳米纤维过滤器及其制造方法中，由于在纳米纤维层的疏水性合成聚合物中含有金属掺杂纳米活性吸收颗粒，既可以吸收vocs又能够杀死细菌，与传统空气过滤器相比，这有助于显着改善过滤后的空气质量。此外，由于采用纳米技术，本发明的纳米纤维过滤器的压降明显低于相同过滤效率的传统过滤器。经过测试表明，本发明的纳米纤维过滤器可以有效的除去vocs并杀死细菌，可以大大改善室内空气质量，延长hvac系统的使用寿命。

图7为银掺杂沸石在麦康凯(macconkey)琼脂平板上的抗菌试验。大肠杆菌在麦康凯(macconkey)琼脂平板上显示为粉红色到红色的菌落。在用未处理的沸石浸泡的滤纸周围可以看到大肠杆菌菌落，而在用银掺杂的沸石浸泡的滤纸周围出现抑制区，这表明银掺杂的沸石可以有效地杀死细菌。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些落入于本发明的保护之内。