一种热稳型空气过滤材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于空气过滤材料技术领域，特别涉及一种热稳型空气过滤材料及其制备方法和应用。

背景技术：

人类在创造美好生活的同时，也带来了空气污染，并且日益成为人们关注的焦点。雾霾天气的频繁发生、工业废气的不达标排放以及汽车数量的迅猛增长，严重威胁着人类的生命健康；而能够有效拦截空气污染物、呼吸道飞沫及携带病原体的空气微小颗粒物的防护滤材，对人类生命健康起到的重要保障。

静电纺丝是一种简单而高效制备高分子微纳米纤维的技能，因设备和试验成本低、纤维产率高、制备出的纤维比表面积比较大、适用性广泛等共同的优势，有望逐步替代常规的过滤材料，拥有极大的潜力。当前关于静电纺丝空气过滤材料的研究，主要集中在以下方面：一是探讨静电纺丝纤维的直径、面密度等工艺参数对过滤性能的影响；二是改变过滤纤维的微观结构，提高过滤性能；三是使用有机/有机或有机/无机复合材料，增大比表面积和孔隙率，改善过滤性能。利用静电纺丝法所制备的亚微米或者纳米级纤维材料，具有一系列优异的特点，有望在高效空气过滤领域做出贡献。

目前，市面上的过滤材料主要有：驻极体过滤材料、结构复合空气过滤材料、表面涂层过滤材料及湿法微波纤高效过滤材料等；其中，驻极体过滤材料具有疏松的结构，较高的孔隙率，但随着时间的推移，驻极体过滤材料的电荷存在中和与衰退现象，使其过滤性能降低；结构复合空气过滤材料主要有覆膜类过滤材料和密度梯度结构过滤材料，其缺点是过滤阻力偏高，使用原料多，厚度大，成本高和工序长等问题；表面涂层过滤材料的缺点是构筑工艺复杂，生产成本高，过滤效率不稳定，且材料纳污量和使用寿命短；湿法微玻纤高效过滤材料，其缺点是抗水性能差，耐折性能低。

综上，现有的空气过滤材料普遍存在直径粗、孔径大、材料厚重、过滤效率和空气阻力难以同步优化及功能单一的缺陷，严重限制了空气过滤材料的应用性能的提高和应用领域的拓宽。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种热稳型空气过滤材料及其制备方法和应用，以解决现有的空气过滤材料存在直径粗、孔径大、材料厚重、过滤效率和空气阻力难以同步优化及功能单一的缺陷。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种热稳型空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、取聚丙烯腈，作为组分a；

将纳米二氧化硅加入到乙醇溶液中，搅拌混匀，超声振荡后，加入改性剂，调节ph，进行改性反应，离心分离，得到固相产物；将洗涤后的固相产物干燥研磨，得到组分b；

步骤2、将组分a和组分b溶于溶剂中，超声振荡，搅拌，得到分散均匀的纺丝溶液；其中，纺丝溶液中，组分a的质量分数为3％-12％，组分b的质量分数为2％-10％；

步骤3、采用步骤2中的纺丝溶液进行静电纺丝，得到所述的热稳型空气过滤材料。

进一步的，步骤1中，聚丙烯腈的数均分子量为60000-80000；聚丙烯腈为干燥的聚丙烯腈粉末，干燥过程采用将聚丙烯腈粉末在150-200℃环境下，干燥处理时间不少于24h。

进一步的，步骤1中，纳米二氧化硅的粒径为30±5nm。

进一步的，步骤1中，制备组分b时，具体为：

将纳米二氧化硅干燥后，加入到乙醇溶液中，搅拌混匀后，超声振荡2-3h；在75-85℃油浴环境下加入改性剂，调节ph至3-4，搅拌进行改性反应，离心分离，得到固相产物；将洗涤后的固相产物干燥研磨成细小颗粒，得到组分b；其中，纳米二氧化硅、乙醇溶液及改性剂按质量比为(12-14):(360-400):(0.4-0.6)的比例混合；其中，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为(3-12):(1-5)；改性剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷或kh-570硅烷偶联剂；细小颗粒的粒径不大于100nm。

进一步的，对纳米二氧化硅干燥过程，干燥温度为250-300℃，干燥时间不少于24h；采用无水乙醇对固相产物进行洗涤；对洗涤后的固相产物干燥处理时，干燥温度为250-300℃，干燥时间不少于24h。

进一步的，步骤2中，溶剂为二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、醇类及水中的一种。

进一步的，步骤2中，超声振荡时间为6-8h，搅拌时间为12-18h，搅拌速率为550-600r/min。

进一步的，步骤3中，静电纺丝过程，利用高压静电纺丝机，静电纺丝工艺参数为：纺丝电压14-18kv，接收距离10-15cm，喷射针头外径0.4-0.6mm，注射泵速率0.5-1ml/h，环境湿度35％-40％。

本发明还提供了一种热稳型空气过滤材料，利用上述的热稳型过滤材料的制备方法制备得到。

本发明所述的一种热稳型空气过滤材料应用于制备口罩或空气净化器滤网或滤芯。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种热稳型空气过滤材料的制备方法，采用化学表面改性方法对纳米二氧化硅进行改性，使纳米二氧化硅粒子的表面结构发生改变，达到稳定均匀分散；由于改性纳米二氧化硅具有极高的比表面积，当其在纤维表面分布时，可以有效地增大掺杂纤维膜的比表面积，有助于提高掺杂纤维膜的过滤性能；因孔隙结构的增加，使压降降低更为明显，品质因子增大，综合过滤性能获得大幅度提升；此外，改性纳米二氧化硅具有一定的疏水性能，这种特殊的结构使纤维复合材料表面有足够多的空隙，空隙被空气填充，实现了水和固体表面的接触大大减少，使材料的接触角变大，即具备较好的自清洁能力，制备方法简单，生产成本低，适用于工业化大规模生产的特点。

本发明还提供了一种热稳型空气过滤材料，以聚丙烯腈为纺丝液，掺杂合适含量的改性纳米二氧化硅，最终获得了过滤效率高达98.86％-99.84％、压降仅为40.21-63.88mpa的静电纺丝过滤纤维复合材料；同时，该复合材料具备高的比表面积和疏水性；与传统的空气过滤纤维材料相比，不仅获得了高的过滤效率，而且压降大幅度变小，同时具备一定的附加性能。这种有机聚合物/无机纳米粒子复合纤维复合材料，在空气过滤领域具有广阔的研究价值和应用前景。

本发明还提供了一种热稳型空气过滤材料的应用，应用在口罩、空气净化器滤网、汽车空调滤网等方面，具备较好的过滤效果，其具有过滤效率高、滤阻低、品质因子高、自清洁能力强和热稳定性强的性能。

本发明中通过加入改性纳米二氧化硅，实现了对pan的过滤性能的有效改善，同时避免了纳米二氧化硅的团聚；通过采用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷或kh-570硅烷偶联剂作为改性剂，对纳米二氧化硅进行改性，改性效果较好；本发明采用聚丙烯晴为原料，通过加入改性后的纳米二氧化硅，利用静电纺丝法制备出高过滤性能的纤维膜材料，更加高效、环保和简单易行；通过加入纳米二氧化硅，同时赋予材料较好的附加性能，如高的比表面积、一定的疏水性和热稳定性，具有潜在的研究价值和应用前景。

附图说明

图1为实施例1中制备得到的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图；

图2为实施例2中制备得到的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图；

图3为实施例3中制备得到的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图；

图4为实施例4中制备得到的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图；

图5为实施例5中制备得到的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下几何附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。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。

本发明提供了一种热稳型空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、取聚丙烯腈粉末，在150-200℃环境下，干燥不少于24h后，作为组分a；其中，聚丙烯腈的数均分子量为60000-80000。

步骤2、取纳米二氧化硅，在250-300℃环境下，干燥不少于24h后备用；其中，纳米二氧化硅的粒径为30±5nm；取360-400g乙醇溶液和12-14g干燥后的纳米二氧化硅混合，搅拌混匀，超声振荡2-3h；在75-85℃油浴环境下，加入0.4-0.6g的改性剂，采用乙二酸或其他弱酸调节ph至3-4，搅拌进行改性反应后，离心分离，得到固相产物；采用无水乙醇对固相产物进行洗涤，之后在250-300℃环境下，干燥不少于24h，研磨成细小颗粒，得到组分b；其中，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为(3-12):(1-5)，改性剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷或kh-570硅烷偶联剂；细小颗粒的粒径不大于100nm。

步骤3、将组分a和组分b溶于溶剂中，超声振荡6-8h，机械搅拌12-18h，搅拌速率为550-600r/min，得到分散均匀的纺丝溶液；其中，纺丝溶液中，组分a的质量分数为3％-12％，组分b的质量分数为2％-10％；溶剂为二甲基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、醇类及水中的一种。

步骤4、采用步骤3中的纺丝溶液进行静电纺丝，利用高压静电纺丝机，纺丝工艺参数为：纺丝电压14-18kv，接收距离10-15cm，喷射针头外径0.4-0.6mm，注射泵速率0.5-1ml/h，环境湿度35％-40％，环境温度为室温条件，纺丝完成后，得到所述的热稳型空气过滤材料。

本发明还提供了一种热稳型空气过滤材料，所述热稳型空气过滤材料的接触角为94.5°-98.1°；拉伸断裂强度达2.01-3.10mpa；断后伸长率35.17％-48.81％；比表面积为7.24-16.3m²·g^-1；过滤效率达98.86％-99.84％；品质因子为0.05-0.07；压降为40.21-63.88mpa；材料的润湿性能较好，具有较强的自清洁能力，热处理后稳定性能稳定，空气过滤材料的柔软性和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，空气过滤材料的滤阻较低。

本发明还提供了一种热稳型空气过滤材料的应用，将所述的热稳型空气过滤材料应用于植被口罩或空气净化器滤网或滤芯时，材料的柔软性能和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，较低的滤阻，热稳定性能好。

实施例1

实施例1提供了一种热稳型空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、取聚丙烯腈粉末，在150℃环境下干燥48h后，作为组分a；其中，聚丙烯腈粉末的数均分子量为60000-80000。

步骤2、取纳米二氧化硅，在300℃环境下干燥24h后备用，其中，纳米二氧化硅的粒径为30±5nm；取400g乙醇溶液和14g干燥后的纳米二氧化硅混合，搅拌混匀，超声振荡2-3h；在75-85℃油浴环境下，加入0.6g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，采用乙二酸调节ph至3-4，搅拌反应后，离心分离，得到固相产物；采用无水乙醇对固相产物进行洗涤，之后在300℃环境下干燥24h，研磨成细小颗粒，得到组分b；其中，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为(3-12):(1-5)；优选的，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为3:1；细小颗粒的粒径不大于100nm。

步骤3、将组分a和组分b溶于二甲基乙酰胺中，超声振荡8h，机械搅拌12h，搅拌速率为600r/min，得到分散均匀的纺丝溶液；其中，纺丝溶液中，组分a的质量分数为3％，组分b的质量分数为2％；

步骤4、采用步骤3中的纺丝溶液进行静电纺丝，利用高压静电纺丝机，纺丝工艺参数为：纺丝电压18kv，接收距离15cm，喷射针头外径0.4mm，注射泵速率1ml/h，环境湿度35％-40％，环境温度为室温条件，纺丝完成后，得到所述的热稳型空气过滤材料。

根据试验检测结果显示，利用实施例1所述的一种热稳型空气过滤材料的制备方法，制备得到的热稳型空气过滤材料的接触角为94.5±3.6°；拉伸断裂强度达2.81±0.13mpa；断后伸长率48.81±4.9％；比表面积为7.24m²·g^-1；过滤效率达99.32％；品质因子为0.05；压降为40.21mpa；所述空气过滤材料的润湿性能较好，具有较强的自清洁能力较强及较好的热稳定性能，材料的柔软性能和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子和较低的滤阻。

如附图1所示，附图1给出实施例1中制备的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图，从附图1中可以看出所形成的纤维直径细小，其平均直径为137nm，连续分布，且无串珠；过滤材料的润湿性能较好，具有较好的自清洁能力，热处理后稳定性能较高；过滤材料的柔软性和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子；过滤材料的滤阻较低。

实施例2

实施例2提供了一种热稳型空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、取聚丙烯腈粉末，在160℃环境下干燥40h后，作为组分a；其中，聚丙烯腈粉末的数均分子量为60000-80000。

步骤2、取纳米二氧化硅，在280℃环境下干燥30h后备用，其中，纳米二氧化硅的粒径为30±5nm；取360g乙醇溶液和12g干燥后的纳米二氧化硅混合，搅拌混匀，超声振荡2-3h；在75-85℃油浴环境下，加入0.4g的kh-570硅烷偶联剂，采用乙二酸调节ph至3-4，搅拌反应后，离心分离，得到固相产物；采用无水乙醇对固相产物进行洗涤，之后在250℃环境下干燥48h，研磨成细小颗粒，得到组分b；其中，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为(3-12):(1-5)。

步骤3、将组分a和组分b溶于水中，超声振荡7h，机械搅拌18h，搅拌速率为550r/min，得到分散均匀的纺丝溶液；其中，纺丝溶液中，组分a的质量分数为5％，组分b的质量分数为4％；

步骤4、采用步骤3中的纺丝溶液进行静电纺丝，利用高压静电纺丝机，纺丝工艺参数为：纺丝电压17kv，接收距离14cm，喷射针头外径0.6mm，注射泵速率1ml/h，环境湿度35％-40％，环境温度为室温条件，纺丝完成后，得到所述的热稳型空气过滤材料。

根据试验检测结果显示，利用实施例2所述的一种热稳型空气过滤材料的制备方法，制备得到的热稳型空气过滤材料的接触角为96.9±2.8°，拉伸断裂强度达2.52±0.51mpa，断后伸长率35.17±3.23％，比表面积为10.59m²·g^-1，过滤效率达98.86％，品质因子为0.05，压降为54.37mpa；材料的润湿性能较好，自清洁能力较强，热稳定性能较好，材料的柔软性能和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，较低的滤阻。

如附图2所示，附图2给出实施例2中制备的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图，从附图2中可以看出所形成的纤维直径细小，其平均直径为155nm，且无串珠，连续分布。材料的润湿性能较好，具有较强的自清洁能力，热处理后稳定性能稳定，空气过滤材料的柔软性和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，空气过滤材料的滤阻较低。

实施例3

实施例3提供了一种热稳型空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、取聚丙烯腈粉末，在170℃环境下干燥36h后，作为组分a；其中，聚丙烯腈粉末的数均分子量为60000-80000。

步骤2、取纳米二氧化硅，在270℃环境下干燥36h后备用，其中，纳米二氧化硅的粒径为30±5nm；取400g乙醇溶液和12g干燥后的纳米二氧化硅混合，搅拌混匀，超声振荡2-3h；在75-85℃油浴环境下，加入0.6g的kh-570硅烷偶联剂，采用乙二酸调节ph至3-4，搅拌反应后，离心分离，得到固相产物；采用无水乙醇对固相产物进行洗涤，之后在300℃环境下干燥24h，研磨成细小颗粒，得到组分b；其中，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为(3-12):(1-5)。

步骤3、将组分a和组分b溶于n,n-二甲基甲酰胺中，超声振荡7h，机械搅拌14h，搅拌速率为580r/min，得到分散均匀的纺丝溶液；其中，纺丝溶液中，组分a的质量分数为8％，组分b的质量分数为6％；

步骤4、采用步骤3中的纺丝溶液进行静电纺丝，利用高压静电纺丝机，纺丝工艺参数为：纺丝电压16kv，接收距离15cm，喷射针头外径0.4mm，注射泵速率0.8ml/h，环境湿度35％-40％，环境温度为室温条件，纺丝完成后，得到所述的热稳型空气过滤材料。

根据试验检测结果显示，利用实施例3所述的一种热稳型空气过滤材料的制备方法，制备得到的热稳型空气过滤材料的接触角为97.7±3.1°；拉伸断裂强度达2.53±0.19mpa；断后伸长率39.93±3.31％；比表面积为10.26m²·g^-1；过滤效率达99.52％；品质因子为0.07；压降为63.88mpa；材料的润湿性能较好，自清洁能力较强，热稳定性能较好，材料的柔软性能和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，较低的滤阻。

如附图3所示，附图3给出实施例3中制备的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图，从附图3中可以看出所形成的纤维直径细小，其平均直径为148nm，且无串珠，连续分布。材料的润湿性能较好，具有较强的自清洁能力，热处理后稳定性能稳定，空气过滤材料的柔软性和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，空气过滤材料的滤阻较低。

实施例4

实施例4提供了一种热稳型空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、取聚丙烯腈粉末，在180℃环境下干燥30h后，作为组分a；其中，聚丙烯腈粉末的数均分子量为60000-80000。

步骤2、取纳米二氧化硅，在260℃环境下干燥40h后备用，其中，纳米二氧化硅的粒径为30±5nm；取400g乙醇溶液和12g干燥后的纳米二氧化硅混合，搅拌混匀，超声振荡2-3h；在75-85℃油浴环境下，加入0.5g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，采用乙二酸调节ph至3-4，搅拌反应后，离心分离，得到固相产物；采用无水乙醇对固相产物进行洗涤，之后在270℃环境下干燥36h，研磨成细小颗粒，得到组分b；其中，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为(3-12):(1-5)。

步骤3、将组分a和组分b溶于n,n-二甲基乙酰胺中，超声振荡6h，机械搅拌16h，搅拌速率为580r/min，得到分散均匀的纺丝溶液；其中，纺丝溶液中，组分a的质量分数为10％，组分b的质量分数为8％；

步骤4、采用步骤3中的纺丝溶液进行静电纺丝，利用高压静电纺丝机，纺丝工艺参数为：纺丝电压15kv，接收距离12cm，喷射针头外径0.6mm，注射泵速率1ml/h，环境湿度35％-40％，环境温度为室温条件，纺丝完成后，得到所述的热稳型空气过滤材料。

根据试验检测结果显示，利用实施例4所述的一种热稳型空气过滤材料的制备方法，制备得到的热稳型空气过滤材料的接触角为97.6±2.9°；拉伸断裂强度达2.36±0.21mpa；断后伸长率37.86±3.47％；比表面积为13.81m²·g^-1；过滤效率达98.72％；品质因子为0.06；压降为65.22mpa；材料的润湿性能较好，自清洁能力较强，热稳定性能较好，材料的柔软性能和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，较低的滤阻。

如附图4所示，附图4给出实施例4中制备的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图，从附图4中可以看出所形成的纤维直径细小，其平均直径为141nm，且无串珠，连续分布。材料的润湿性能较好，具有较强的自清洁能力，热处理后稳定性能稳定，空气过滤材料的柔软性和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，空气过滤材料的滤阻较低。

实施例5

实施例5提供了一种热稳型空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、取聚丙烯腈粉末，在200℃环境下干燥24h后，作为组分a；其中，聚丙烯腈粉末的数均分子量为60000-80000。

步骤2、取纳米二氧化硅，在250℃环境下干燥48h后备用，其中，纳米二氧化硅的粒径为30±5nm；取400g乙醇溶液和14g干燥后的纳米二氧化硅混合，搅拌混匀，超声振荡2-3h；在75-85℃油浴环境下，加入0.6g的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，采用乙二酸调节ph至3-4，搅拌反应后，离心分离，得到固相产物；采用无水乙醇对固相产物进行洗涤，之后在300℃环境下干燥24h，研磨成细小颗粒，得到组分b；其中，乙醇溶液中乙醇和水的体积比为(3-12):(1-5)。

步骤3、将组分a和组分b溶于醇类溶剂中，超声振荡8h，机械搅拌12h，搅拌速率为600r/min，得到分散均匀的纺丝溶液；其中，纺丝溶液中，组分a的质量分数为12％，组分b的质量分数为10％；

步骤4、采用步骤3中的纺丝溶液进行静电纺丝，利用高压静电纺丝机，纺丝工艺参数为：纺丝电压14kv，接收距离10cm，喷射针头外径0.5mm，注射泵速率0.5ml/h，环境湿度35％-40％，环境温度为室温条件，纺丝完成后，得到所述的热稳型空气过滤材料。

根据试验检测结果显示，利用实施例5所述的一种热稳型空气过滤材料的制备方法，制备得到的热稳型空气过滤材料的接触角为98.1±2.1°；拉伸断裂强度达2.88±0.22mpa；断后伸长率35.17±3.14％；比表面积为16.30m²·g^-1；过滤效率达99.84％；品质因子为0.05；压降为63.88mpa；材料的润湿性能较好，自清洁能力较强，热稳定性能较好，材料的柔软性能和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，较低的滤阻。

如附图5所示，附图5给出实施例5中制备的热稳型空气过滤材料的扫描电镜图，从附图4中可以看出所形成的纤维直径细小，其平均直径为152nm，且无串珠，连续分布。材料的润湿性能较好，具有较强的自清洁能力，热处理后稳定性能稳定，空气过滤材料的柔软性和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，空气过滤材料的滤阻较低。

本发明还提供了一种热稳型空气过滤材料的应用，将所述的热稳型空气过滤材料应用于植被口罩或空气净化器滤网或滤芯时，热稳定性能较好，材料的柔软性能和弹性较好，具备较高的过滤效率和品质因子，较低的滤阻。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。