一种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料的制作方法
【专利摘要】本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料。所述空气过滤材料包括基材层和过滤层，所述过滤层为负载抗菌剂的纳米纤维层，所述过滤层通过原位生长法制得，以非织造布为基材层。本发明所述空气过滤材料对PM2.5会产生逐级截留阻隔，能够高效地拦截PM2.5微小气溶胶粒子，对于2.5μm的颗粒的过滤效率可以达到100％，对于尺寸为0.5μm和0.3μm的颗粒的过滤效率可以达到99％，空气阻力为37Pa，克重为22.89g/m2；本发明所述空气过滤材料操作简便易行，充分吸附烟雾后，可以通过水洗除去其上吸附的烟雾粒子，实现多次重复利用。
【专利说明】
一种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料
技术领域
[0001]本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料。
【背景技术】
[0002]随着科学技术的发展，过滤材料已经在空气净化、水净化、废物处理及食品加工等领域得到了广泛的应用。有报告显示，中国最大的500个城市中，只有不到1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。作为抵抗雾霾、保护健康的最后一道屏障，过滤材料已成为人们赖以依靠和普遍关注的焦点。
[0003]传统过滤材料虽对微米级以上的颗粒具有较高的过滤效率，却难以实现对亚微米级颗粒的有效过滤，且存在抗污能力弱、使用周期短等缺点，已经再无法完全满足人们对高效过滤材料的要求。为弥补传统过滤材料的不足，新型多功能、高附加值过滤材料的开发势在必行。大量研究表明，纤维过滤材料的过滤效率会随着纤维直径的降低而显著提高。因此，降低纤维直径成为改善纤维过滤材料过滤性能的一种有效方法。
[0004]静电纺丝技术作为一种可以制备直径在几纳米到几微米范围内超细纤维的方法，在纤维过滤材料的制备中已引起了广泛关注。通过静电纺丝制备的纳米纤维膜具有质量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高等优点，内部孔隙的连通性好、容易与纳米级的物质结合，能够很好地用作过滤材料。静电纺丝通过驻极作用使带电的高分子溶液或熔体在静电场中流动变形，再经溶剂挥发或熔体冷却而固化。驻极体不仅过滤性能优良，而且对微生物还有抑制和杀灭作用。静电纺丝制得的纳米纤维性能优异，正逐步替代传统纤维材料在工业粉尘过滤、室内空气净化、机车空气过滤等方面具有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料。
[0006]为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]—种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，其特征在于，所述空气过滤材料包括基材层和过滤层，所述过滤层为负载抗菌剂的纳米纤维层，所述过滤层通过原位生长法制得，所述基材层为非织造布。
[0008]上述方案中，所述抗菌剂为纳米银，所述纳米银的粒径为5nm?lOOnm。
[0009]上述方案中，所述纳米纤维的直径为20nm?200nm。
[00?0]上述方案中，所述负载抗菌剂的纳米纤维层中抗菌剂的负载量为3wt%?20wt%。
[0011]上述方案中，所述PP非织造布为表面带有一定电荷的PP熔喷布或PP针织布。
[0012]—种原位生长法制备上述空气过滤材料的方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0013](I)将聚合物溶解在甲酸和/或乙酸溶剂中，得到静电纺丝溶液;采用静电纺丝工艺，以非织造布为基材层制备得到复合在基材层上的纳米纤维膜；
[0014](2)纳米银粒子溶液的制备:以硝酸银为银前驱体、柠檬酸钠和硼氢化钠作为还原剂，或者以硝酸银为银前驱体、梓檬酸钠为还原剂，反应制备得到纳米银粒子溶液；
[0015](3)将纳米纤维膜浸没在纳米银粒子溶液中，置于恒温震荡箱进行纳米银原位生长，生长结束后，取出纳米纤维膜在真空干燥箱中烘干，得到负载纳米银粒子的纳米纤维层；由基材层和复合在其上的纳米纤维层构成了空气过滤材料。
[0016]上述方案中，步骤(I)所述聚合物为含有酰胺基聚合物，具体为聚酰胺6、聚酰胺610、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺1010、聚酰胺56、聚酰胺4、聚酰胺8、聚酰胺9和聚酰胺810中的一种或几种。
[0017]上述方案中，步骤(2)中所述以硝酸银为银前驱体，柠檬酸钠和硼氢化钠为还原剂制备纳米银粒子溶液的过程为:先将硝酸银和柠檬酸钠加入到去离子水中，常温下磁力搅拌使完全溶解呈现无色透明液体，再将硼氢化钠溶于少量去离子水中，加入到无色透明液体中，继续搅拌，充分反应后得到纳米银粒子溶液，所述硝酸银、柠檬酸钠和硼氢化钠的质量比为1:1?3:1?5;
[0018]上述方案中，步骤(2)中所述以硝酸银为银前驱体，柠檬酸钠为还原剂制备纳米银粒子溶液的过程为:将硝酸银溶于去离子水中，剧烈搅拌并且加热至沸腾后，将柠檬酸钠水溶液快速滴加到硝酸银溶液中，反应0.5?2小时后得到纳米银粒子溶液，所述硝酸银和柠檬酸钠的质量比为1:1?2。
[0019]上述方案中，步骤(3)所述溶液pH为3?7。
[0020]上述方案中，步骤(3)所述恒温震荡箱的温度为10?60°C，震荡频率为O?10r/min，震荡时间为0.5?24h。
[0021 ]上述方案中，步骤(3)所述烘干的温度为40?120°C。
[0022]本发明的有益效果:本发明以非织造布为基材层，在基材层上复合纳米纤维，然后将纳米抗菌粒子通过原位生长的方法负载在纳米纤维上制备得到纳米纤维层;所述纳米纤维层质量轻、通透性好、比表面积大，具有由纳米粗糙结构、结节孔隙结构以及堆叠孔隙结构所形成的三级过滤结构，对不同粒度分布的PM2.5(尺寸小于等于2.5μπι的颗粒)会产生逐级截留阻隔，能够高效地拦截ΡΜ2.5微小气溶胶粒子，对于2.5μπι的颗粒的过滤效率可以达至Ij 100%，对于尺寸为0.5μπι和0.3μπι的颗粒的过滤效率可以达到99% ；空气阻力为37Pa同时所截留的气溶胶粒子中含有的污染有害气体在常温条件下可以稳定存在，高温后才释放出来;此外，其上负载的纳米银粒子还能增加材料的抗菌性，使空气过滤材料满足高效低阻抗菌防雾霾的过滤要求;本发明所述空气过滤材料操作简便易行，充分吸附烟雾后，可以通过水洗除去其上吸附的烟雾粒子，实现多次重复利用，可应用于口罩防护服、汽车空调滤清器、室内空气净化等领域。
【附图说明】
[0023]图1为实施例1得到的PA66@Ag纳米纤维复合非织造布的空气过滤材料SEM图。
[0024]图2为本发明所述空气过滤材料吸收烟雾后的SEM图。
[0025]图3为本发明所述空气过滤材料吸附烟雾后TG-QMS图。
[0026]图4为本发明所述空气过滤材料过滤性能曲线图。
[0027]图5为本发明所述空气过滤材料重复进行吸附烟雾、水洗的克重曲线图。
【具体实施方式】
[0028]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0029]实施例1
[0030]一种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，通过如下方法制备得到:
[0031](I)聚酰胺66溶于甲酸和乙酸混合溶剂(3:1)，配置纺丝溶液(浓度15% )，静电纺丝参数，电压18KV，推进量0.2mL/h，温度50°C，接收距离18cm，纺丝时间30min，以PP熔喷布为基底制备得到复合在基材层上的纳米纤维；
[0032](2)纳米银粒子溶液的制备:称取0.019g的硝酸银，0.019g柠檬酸钠，以硝酸银为银前驱体，柠檬酸钠作为还原剂;先将硝酸银加入到去离子水中，油浴加热到120°C使硝酸银溶液沸腾、剧烈磁力搅拌条件下加入柠檬酸钠溶液，反应Ih后即得到纳米银粒子溶液；
[0033](3)采用稀盐酸调节纳米银粒子溶液的pH = 3，将纳米纤维膜浸没在纳米银粒子溶液中，置于10°c恒温震荡箱(震荡频率为50r/min)进行纳米银原位生长lh，生长结束后，取出纳米纤维膜在真空干燥箱中80°C烘干，得到负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层，所述负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层中纳米银粒子的负载率为3wt% ；由基材层和复合在其上的纳米纤维层构成了空气过滤材料。
[0034]本实施例制备得到的空气过滤材料的SEM图见图1。从图1可以看出，纤维尺寸为纳米级的纳米纤维膜与纤维尺寸为微米级的无纺基材布形成明显的双层结构，纳米纤维堆叠形成三维孔隙，孔隙大小约为3nm。
[0035]实施例2
[0036]—种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，通过如下方法制备得到:
[0037](I)将聚酰胺6(PA6)溶于甲酸溶剂中，配置纺丝溶液(浓度13 % )，静电纺丝参数，电压12kV，推进量0.5mL/h，温度60°C，接收距离12cm，纺丝时间30min，以PP熔喷布为基底制备得到复合在基材层上的纳米纤维；
[0038](2)纳米银粒子溶液的制备:称取0.008g的硝酸银，0.019g的柠檬酸钠，0.014g硼氢化钠，以硝酸银为银前驱体，柠檬酸钠和硼氢化钠作为还原剂;先将硝酸银和柠檬酸钠加入到去离子水中，常温下磁力搅拌使完全溶解呈现无色透明液体，再将硼氢化钠溶于5ml去离子水中，加入到无色透明液体中，继续搅拌lh，充分反应后得到纳米银粒子溶液；
[0039](3)采用稀盐酸调节纳米银粒子溶液的pH = 5，将纳米纤维膜浸没在纳米银粒子溶液中，置于60°C恒温震荡箱(震荡频率为100r/min)进行纳米银原位生长0.5h，生长结束后，取出纳米纤维膜40°C烘干，得到负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层，所述负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层中纳米银粒子的负载率为20wt% ;由基材层和复合在其上的纳米纤维层构成了空气过滤材料。
[0040]实施例3
[0041]—种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，通过如下方法制备得到:
[0042](I)将聚酰胺610溶于甲酸溶剂中，配置纺丝溶液(浓度15%)，静电纺丝参数，电压19KV，推进量0.3mL/h，温度50°C，接收距离18cm，纺丝时间30min，以PP针织布为基底制备得到复合在基材层上的纳米纤维；
[0043](2)纳米银粒子溶液的制备:称取0.017g的硝酸银，0.020g柠檬酸钠，以硝酸银为银前驱体，柠檬酸作为还原剂;先将硝酸银加入到去离子水中，油浴加热到120°C使硝酸银溶液沸腾，在剧烈磁力搅拌条件下加入柠檬酸钠溶液，反应0.5h后即得到纳米银粒子溶液；
[0044](3)采用稀盐酸调节纳米银粒子溶液的pH = 7，将纳米纤维膜浸没在纳米银粒子溶液中，置于25°C恒温震荡箱(震荡频率为Or/min)进行纳米银原位生长24h，生长结束后，取出纳米纤维膜60°C烘干，得到负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层，所述负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层中纳米银粒子的负载率为19wt% ;由基材层和复合在其上的纳米纤维层构成了空气过滤材料。
[0045]实施例4
[0046]—种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，通过如下方法制备得到:
[0047](I)将聚酰胺56溶于乙酸溶剂中，配置纺丝溶液(浓度13%)，静电纺丝参数，电压18KV，推进量0.2mL/h，温度50°C，接收距离18cm，纺丝时间30min，以PP针织布为基底制备得到复合在基材层上的纳米纤维；
[0048](2)纳米银粒子溶液的制备:称取0.0lSg的硝酸银，0.019g柠檬酸钠，以硝酸银为银前驱体，柠檬酸钠作为还原剂;先将硝酸银加入到去离子水中，油浴加热到120°C使硝酸银溶液沸腾，在剧烈磁力搅拌条件下加入柠檬酸钠溶液，反应0.5h后即得到纳米银粒子溶液；
[0049](3)采用稀盐酸调节纳米银粒子溶液的pH = 5，将纳米纤维膜浸没在纳米银粒子溶液
[0050]中，置于45°C恒温震荡箱(震荡频率为lOOr/min)进行纳米银原位生长lh，生长结束后，取出纳米纤维膜120°C烘干，得到负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层，所述负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层中纳米银粒子的负载率为10wt% ；由基材层和复合在其上的纳米纤维层构成了空气过滤材料。
[0051 ] 实施例5
[0052]—种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，通过如下方法制备得到:
[0053](I)将聚酰胺11溶于甲酸溶剂中，配置纺丝溶液(浓度14 % )，静电纺丝参数，电压18KV，推进量0.lmL/h，温度50°C，接收距离16cm，纺丝时间20min，以PP针织布为基底制备得到复合在基材层上的纳米纤维；
[0054](2)纳米银粒子溶液的制备:称取0.018g的硝酸银，0.019g柠檬酸钠，0.018g硼氢化钠，以硝酸银为银前驱体，柠檬酸钠和硼氢化钠作为还原剂;先将硝酸银和柠檬酸钠加入到去离子水中，室温下磁力剧烈搅拌使完全溶解呈现无色透明液体，再将硼氢化钠溶于5ml去离子水中，加入到无色透明液体中，继续搅拌lh，充分反应后得到纳米银粒子溶液；
[0055](3)将纳米纤维膜浸没在pH = 4的纳米银粒子溶液中，置于25°C恒温震荡箱(震荡频率为50r/min)进行纳米银原位生长10h，生长结束后，取出纳米纤维膜80°C烘干，得到负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层，所述负载纳米银粒子的纳米纤维过滤层中纳米银粒子的负载率为20wt% ;由基材层和复合在其上的纳米纤维层构成了空气过滤材料。
[°°56] 本发明所述空气过滤材料中，纳米银的粒径为5nm?50nm;纳米纤维的直径为20nm?200nm。据报道，用焚烧香而产生的烟雾可以模拟PM2.5雾霾空气环境，因此对本发明所述空气过滤材料进行烟雾吸附实验，吸附烟雾后的空气过滤材料的SEM图见图2，从图2可以看出:随着吸附时间的延长，烟雾颗粒逐渐包裹在纤维上面;同时对吸附了烟雾的空气过滤材料进行TG-QMS测试，结果见图3，从图3可以看出:50°C之后，有一些污染空气的气体逐渐释放，其中N0、N02、C02在200°C前后形成一个峰值，表明此时有该种气体的最大释放量，对于SO2气体，曲线形成两个峰值说明有两次释放，并且第二次释放量更大。图3表明，空气过滤材料吸附了 N0、N02、C02、S02气体并且证明这些气体室温下稳定存在没有释放，高温后才释放。通过LZC-H型滤料综合性能测试台来测试空气过滤材料的过滤性能，结果如图4所示，对于2.5μηι的颗粒可以达到100%的过滤效率，对于0.3μηι和0.5μηι的颗粒过滤效率达到99%，空气阻力37Pa。随后将吸附了烟雾的空气过滤材料在恒温震荡箱里进行水洗震荡，将此空气过滤材料重新用于吸附烟雾实验，从空气过滤材料克重曲线图5看出，吸附烟雾后空气过滤材料的克重增加，震荡水洗干燥后克重下降，说明本发明所述空气过滤材料可以重复多次使用。
[0057]显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
【主权项】
1.一种可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，其特征在于，所述空气过滤材料包括基材层和过滤层，所述过滤层为负载抗菌剂的纳米纤维层，所述过滤层通过原位生长法制得，所述基材层为PP非织造布。2.根据权利要求1所述的可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，其特征在于，所述抗菌剂为纳米银，所述纳米银的粒径为5 nm~100 nm。3.根据权利要求1所述的可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，其特征在于，所述纳米纤维的直径为20 nm?200 nm。4.根据权利要求1所述的可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，其特征在于，所述负载抗菌剂的纳米纤维层中抗菌剂的负载量为3 wt%?20 wt%05.根据权利要求1所述的可循环利用、高效低阻、抗菌防雾霾的空气过滤材料，其特征在于，所述PP非织造布为表面带有一定电荷的PP熔喷布或PP针织布。6.—种原位生长制备权利要求1?5任一所述空气过滤材料的方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)将聚合物溶解在甲酸和/或乙酸溶剂中，得到静电纺丝溶液；以非织造布为基材层，采用静电纺丝工艺制备得到复合在基材层上的纳米纤维膜； (2)纳米银粒子溶液的制备:以硝酸银为银前驱体、柠檬酸钠和硼氢化钠为还原剂，或者以硝酸银为银前驱体、柠檬酸钠为还原剂，反应制备得到纳米银粒子溶液； (3)将纳米纤维膜浸没在纳米银粒子溶液中，置于恒温震荡箱进行纳米银原位生长，生长结束后，取出纳米纤维膜烘干，得到负载纳米银粒子的纳米纤维层；由基材层和复合在其上的纳米纤维层构成了空气过滤材料。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(I)所述聚合物为聚酰胺6、聚酰胺610、聚酰胺66、聚酰胺11、聚酰胺12、聚酰胺1010、聚酰胺56、聚酰胺4、聚酰胺8、聚酰胺9和聚酰胺810中的一种或几种。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述溶液pH为3~7。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述恒温震荡箱的温度为10?60°C，震荡频率为O?100 "11^11，震荡时间为0.5~24 h，所述烘干的温度为40?120°C。10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述以硝酸银为银前驱体，柠檬酸钠和硼氢化钠为还原剂制备纳米银粒子溶液的过程为:先将硝酸银和柠檬酸钠加入到去离子水中，常温下磁力搅拌使完全溶解呈现无色透明液体，再将硼氢化钠溶于少量去离子水中，加入到无色透明液体中，继续搅拌，充分反应后得到纳米银粒子溶液，所述硝酸银、柠檬酸钠和硼氢化钠的质量比为1:1?3:1?5;所述以硝酸银为银前驱体，柠檬酸钠为还原剂制备纳米银粒子溶液的过程为:将硝酸银溶于去离子水中，剧烈搅拌并且加热至沸腾后，将柠檬酸钠水溶液快速滴加到硝酸银溶液中，反应0.5?2小时后得到纳米银粒子溶液，所述硝酸银和梓檬酸钠的质量比为I: I?2。
【文档编号】B01D39/14GK106039839SQ201610375070
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】董丽杰, 琚艳云, 陈卓, 赵广辉, 张扬
【申请人】武汉理工大学