具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜及其制备方法、应用与流程

本发明涉及膜材料领域，具体而言，涉及一种具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜及其制备方法、应用。

背景技术：

1、随着社会的发展，空气污染已经成为对人类健康和生态环境的实质性威胁。特别是空气动力学直径小于2.5微米的颗粒物(pm2.5)，由于其容易渗透到人体的肺部和支气管，是最棘手的空气污染问题之一。人类需要呼吸空气以维持生命，一个成年人每天呼吸大约2万多次，吸入空气达15～20立方米。因此，被污染了的空气对人体健康有直接的影响。空气过滤被认为是缓解这一问题最有前景且最有效的技术之一。

2、聚乳酸(pla)生产过程无污染，可以生物降解，实现在自然界中的循环，有着良好的生物相容性，是环境友好型高分子材料，应用前景广阔。聚乳酸制品在土壤或水中一段时间后会在微生物、水、酸和碱的作用下彻底分解成二氧化碳和水，成为植物光合作用的原料，不会对环境产生污染，是一种完全自然循环型的可生物降解材料。此外，聚乳酸还具有一系列独特性能，如良好的光泽性和透明度、良好的抗拉和延展性能、优良的抗菌和抗霉特性、这些性能都使聚乳酸在空气过滤材料领域具备较好的应用前景。

3、近年来，随着纤维制造技术的发展，静电纺丝技术慢慢进入大众视野。静电纺丝技术在国内一般称为电纺，是一种利用聚合物流体在强电场作用下，通过金属喷嘴进行喷射拉伸而获得纤维直径在数十纳米到数微米之间的纺丝技术。静电纺丝技术因其纤维直径和形态可控、孔结构相互连通、比表面积和孔隙率高而被认为是一种简单、通用的自上而下制备高效纳米纤维膜的方法。静电纺丝制得的纤维作为过滤材料不仅能提高过滤性能，而且它的工作环境适应范围广，抗污染能力更强，对细小颗粒物具有更强的吸附作用，其发展前景十分广阔。

4、根据目前的研究，静电纺丝纤维一般呈圆形光滑形态，纤维直径小，有利于pm2.5的高过滤效率。然而，上述特性又会导致纳米纤维堆积紧密，使得纤维膜的堆积密度过高，从而增加纤维膜的过滤阻力和能耗。因此，本发明提出一种具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜，用于解决现有的静电纺丝纤维膜的过滤阻力及能耗过高的问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜及其制备方法、应用，以解决现有技术中的静电纺丝纤维膜的过滤阻力及能耗过高的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的制备方法，其包括：分别将聚乳酸质量浓度为80～120g/l的第一纺丝溶液和聚乳酸质量浓度为60～70g/l的第二纺丝溶液注入不同注射泵后同时进行多针静电纺丝，使所纺纤维接收至同一接收器表面形成具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜；其中，第一纺丝溶液用于形成连续性纤维，第二纺丝溶液用于形成串珠结构。

3、进一步地，第一纺丝溶液与第二纺丝溶液的聚乳酸类型相同；聚乳酸选自左旋聚乳酸或左旋聚乳酸和右旋聚乳酸的混合物。

4、进一步地，聚乳酸选自左旋聚乳酸和右旋聚乳酸的混合物时，左旋聚乳酸与右旋聚乳酸的重量比为1:1～50:1。

5、进一步地，第一纺丝溶液和第二纺丝溶液的溶剂各自独立地选自乙醇、二氯甲烷、二甲基甲酰胺、丙酮、乙酸乙酯、氯仿或三氯甲烷中的一种或多种。

6、进一步地，在多针静电纺丝过程中，纺丝正电压为10～30kv，负电压为1～15kv。

7、进一步地，第一纺丝溶液的消耗速率为0.5～2ml/h，第二纺丝溶液的消耗速率为2～3ml/h。

8、进一步地，接受器为辊筒，辊筒转速为500～1500rpm。

9、进一步地，在多针静电纺丝过程中，第一纺丝溶液使用的纺丝金属针头内径为0.60～0.86mm。

10、进一步地，第一纺丝溶液的纺丝接收距离为10～30cm。

11、进一步地，在多针静电纺丝过程中，第二纺丝溶液使用的纺丝金属针头内径为0.33～0.50mm。

12、进一步地，第二纺丝溶液的纺丝接收距离为10～30cm。

13、进一步地，在多针静电纺丝过程中，环境温度为20～30℃，相对湿度为25～45％。

14、进一步地，在多针静电纺丝过程中，第一纺丝溶液所纺的纤维直径为1～9μm。

15、进一步地，第二纺丝溶液所纺的纤维直径为30～500nm，进一步优选为30～200nm。

16、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种由前述的制备方法制备得到的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜。

17、进一步地，具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的厚度为80～300μm。

18、进一步地，有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜中串珠的形貌呈椭球形、球形、纺锤形或细长纺锤形中任一种。

19、进一步地，串珠的平均宽度为500～1000nm，平均长度为600～1500nm。

20、根据本发明的另一方面，提供了一种具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜在空气过滤材料中的应用。

21、本发明制备的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜，通过沿纳米纤维轴线构建串珠结构以优化纳米纤维的堆积密度，调节纳米纤维之间的距离以减小压降，降低过滤阻力。另外，本发明的纤维膜采用了微米和纳米多级纤维与串珠结构相结合的形式，不仅保证了纤维膜对细小颗粒物的过滤效果，也提升了纤维膜的力学性能，使其具有高过滤效率和低阻力的过滤性能，在实际生产应用中能耗较低，是一种具有广阔应用前景的全生物降解空气过滤材料。

技术特征：

1.一种具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：分别将聚乳酸质量浓度为80～120g/l的第一纺丝溶液和聚乳酸质量浓度为60～70g/l的第二纺丝溶液注入不同注射泵后同时进行多针静电纺丝，使所纺纤维接收至同一接收器表面形成具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜；其中，所述第一纺丝溶液用于形成连续性纤维，所述第二纺丝溶液用于形成串珠结构。

2.根据权利要求1所述的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的制备方法，其特征在于，所述第一纺丝溶液与所述第二纺丝溶液的聚乳酸类型相同；所述聚乳酸选自左旋聚乳酸或左旋聚乳酸和右旋聚乳酸的混合物；

3.根据权利要求1或2所述的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的制备方法，其特征在于，所述第一纺丝溶液和所述第二纺丝溶液的溶剂各自独立地选自乙醇、二氯甲烷、二甲基甲酰胺、丙酮、乙酸乙酯、氯仿或三氯甲烷中的一种或多种。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的制备方法，其特征在于，在所述多针静电纺丝过程中，纺丝正电压为10～30kv，负电压为1～15kv；

5.根据权利要求1至4中任一项所述的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的制备方法，其特征在于，在所述多针静电纺丝过程中，所述第一纺丝溶液使用的纺丝金属针头内径为0.60～0.86mm；

6.根据权利要求1至5中任一项所述的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的制备方法，其特征在于，在所述多针静电纺丝过程中，环境温度为20～30℃，相对湿度为25～45％。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的制备方法，其特征在于，在所述多针静电纺丝过程中，所述第一纺丝溶液所纺的纤维直径为1～9μm；

8.一种由权利要求1至7中任一项所述的制备方法制备得到的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜。

9.根据权利要求8所述的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜，其特征在于，所述具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜的厚度为80～300μm；

10.一种权利要求8或9所述的具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜在空气过滤材料中的应用。

技术总结
本发明提供了一种具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜及其制备方法、应用，其制备方法包括：分别将聚乳酸质量浓度为80～120g/L的第一纺丝溶液和聚乳酸质量浓度为60～70g/L的第二纺丝溶液注入不同注射泵后同时进行多针静电纺丝，使所纺纤维接收至同一接收器表面形成具有串珠结构的聚乳酸微纳多级纤维过滤膜；其中，第一纺丝溶液用于形成连续性纤维，第二纺丝溶液用于形成串珠结构。本发明的过滤膜采用了微米和纳米多级纤维与串珠结构相结合，不仅保证了纤维膜对细小颗粒物的过滤效果，也提升了纤维膜的力学性能，使其具有高过滤效率和低阻力的过滤性能，是一种具有广阔应用前景的全生物降解空气过滤材料。

技术研发人员：赵利群,孙长斌,王君,赵烽群,樊全水,徐学昊,朱桂英,徐欢,何新建,朱金佗,乔金林,李鹏,王亚军
受保护的技术使用者：国能神东煤炭集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15