本發(fā)明屬于空氣凈化材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種功能化納米纖維過濾材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

空氣污染嚴(yán)重地影響著人們的身體健康、生活、工作以及社會(huì)的經(jīng)濟(jì)。過濾技術(shù)則是改善大氣環(huán)境和提高室內(nèi)品質(zhì)的一個(gè)行之有效的辦法。目前，普通空氣過濾材料效率低、阻力高，不能滿足人們對空氣品質(zhì)的要求，迫切需要開發(fā)一種可以高效低阻地過濾顆粒物，并可以去除甲醛等空氣污染物的功能性空氣過濾材料。

靜電紡絲納米纖維過濾材料，由于其稀疏多孔的結(jié)構(gòu)和相對較高的比表面積，在眾多過濾材料中性能最為優(yōu)越。但由于其一般由高聚物紡制而成，大多只能對空氣中的懸浮顆粒進(jìn)行攔截和靜電吸附，不能除去空氣中的細(xì)菌，病毒和有機(jī)污染物。近年來，很多專家學(xué)者通過用靜電紡納米纖維與功能化材料復(fù)合的方法制備出了各種復(fù)合功能化靜電紡納米纖維膜。

國內(nèi)2013年12月18日公開的cn103446803a發(fā)明型專利介紹了一種抗菌空氣過濾氈及其制備方法和應(yīng)用，該發(fā)明是以靜電紡高分子納米纖維氈作為載體材料，通過靜電噴涂的方式負(fù)載有一定濃度的納米抗菌劑，納米抗菌劑選自納米銀抗菌劑，制備時(shí)先配制納米銀抗菌劑懸浮液和高分子紡絲液，然后采用靜電紡絲制備納米纖維氈同步靜電噴涂負(fù)載納米抗菌劑，最后真空干燥。該技術(shù)的不足之處在于：其中的納米抗菌劑選自納米銀抗菌劑，雖可以起到殺菌的作用，但其中的重金屬銀會(huì)對人體造成不可避免的傷害。

國內(nèi)2015年7月22日公開的cn104785018a發(fā)明型專利介紹了一種pvdf納米纖維功能化空氣過濾材料及其制備方法，它包括一層聚丙烯微米纖維層和一層pvdf納米纖維層，所述pvdf納米纖維由紡絲溶液制成，它將聚丙烯微米纖維層作為基材，將pvdf樹脂、混合溶劑和四丁基高氯酸鉸攪拌混合，將基材通過高溫壓光輥熱壓，然后送入靜電紡絲裝置中噴涂。該技術(shù)的不足之處在于：這種過濾材料僅包含pvdf和聚丙烯兩種材料，并沒有特殊的殺菌及吸附油性顆粒的作用，而且制作工藝復(fù)雜，成本較高。

國內(nèi)2015年8月5日公開的cn104815483a發(fā)明型專利介紹了一種復(fù)合抗菌空氣過濾材料，它包括依次粘結(jié)的駐極織物層、靜電紡纖維膜層和基材無紡布層，其中，它的靜電紡纖維膜層和基材無紡布層的表面負(fù)載有殼聚糖和納米tio2光觸媒。該方法雖然可以起到抗菌、消毒和除異味的功能，但制作工藝過于繁瑣，噴涂層容易脫落。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足之處，針對甲醛等有機(jī)污染物的去除，本發(fā)明的首要目的在于提供一種功能化納米纖維過濾材料。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種功能化納米纖維過濾材料的制備方法。

本發(fā)明的再一目的在于說明此一種功能化納米纖維過濾材料的應(yīng)用。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種功能化納米纖維過濾材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)配制聚合物紡絲液：將c3n4納米片加入到溶劑中，超聲震蕩直至分散均勻，再加入聚合物，磁力攪拌直至溶解均勻，得到含c3n4納米片的聚合物紡絲液；

(2)靜電紡絲：將步驟(1)所得聚合物紡絲液通過靜電紡絲技術(shù)制備于基底上，得到功能化納米纖維過濾材料。

優(yōu)選的，步驟(1)所述超聲震蕩的時(shí)間為1h。

優(yōu)選的，步驟(1)所述磁力攪拌的時(shí)間為12h。

優(yōu)選的，步驟(1)所述溶劑為甲酸、n-n二甲基甲酰胺、四氫呋喃、三氟乙酸、二氯甲烷、水和丙酮中的一種以上。

優(yōu)選的，步驟(1)所述聚合物為聚酰胺、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇脂、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇和聚乳酸中的至少一種。

進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟(1)所述聚合物和溶劑分別對應(yīng)如下：

聚酰胺：甲酸溶劑；

聚碳酸酯：質(zhì)量比為1:1的n-n二甲基甲酰胺和四氫呋喃的混合溶劑；

聚對苯二甲酸乙二醇酯：體積比為4:1的三氟乙酸和二氯甲烷的混合溶劑；

聚對苯二甲酸丁二醇酯：體積比為3:2的三氟乙酸和二氯甲烷的混合溶劑；

聚氨酯：質(zhì)量比為7:3的n-n二甲基甲酰胺和四氫呋喃的混合溶劑；

聚氯乙烯：質(zhì)量比為1:1的n-n二甲基甲酰胺和四氫呋喃的混合溶劑；

聚苯乙烯：n-n二甲基甲酰胺溶劑；

聚丙烯腈：n-n二甲基甲酰胺溶劑；

聚乙烯醇：水溶劑；

聚乳酸：質(zhì)量比為4:1的n，n-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶劑。

優(yōu)選的，步驟(1)所述聚合物紡絲液中c3n4納米片的含量為0.01～20wt.％。

優(yōu)選的，步驟(1)所述聚合物紡絲液中聚合物的含量為5～25wt.％。

優(yōu)選地，步驟(2)中所述基底為常規(guī)微米纖維濾材。

優(yōu)選的，步驟(2)所述靜電紡絲的工藝條件為：電壓10～30kv，接收距離5～30cm，注射速度1～5ml/h，溫度0～35℃，相對濕度0～70％。

由以上所述的方法制得的一種功能化納米纖維過濾材料。

優(yōu)選的，該材料由納米纖維膜和基底組成，所述納米纖維膜由一類通用工程塑料聚合物納米纖維和分散在聚合物納米纖維中的c3n4納米片組成；所述c3n4納米片由三聚氰胺通過高溫?zé)釀兟涞姆椒ㄖ苽涞玫剑凰黾{米纖維膜的纖維直徑為100～900nm，納米纖維膜的克重為0.01～5g/m²，孔隙率≥80％。

以上所述的一種功能化納米纖維過濾材料在空氣過濾中的應(yīng)用。

本發(fā)明創(chuàng)新性的在納米纖維表面引入c3n4納米片，c3n4是一種非金屬半導(dǎo)體材料，由地球上含量較多的c、n元素組成，抗酸、堿、光的腐蝕，穩(wěn)定性好，硬度可以和金剛石相媲美，結(jié)構(gòu)和性能易于調(diào)控。c3n4是石墨相的層狀結(jié)構(gòu)，層間可以通過氣體分子，且內(nèi)部有很多從0.3nm到幾十納米不等的缺陷，利于氣體的通過，可以大大降低pm2.5分離過程中的壓降，提高空氣凈化過程中的過濾效率。此外，c3n4自身帶有一定的氨基基團(tuán)(n-h)，對甲醛、co、氮氧化物等空氣污染物有很好的吸附分離效果。

本發(fā)明所得的功能化納米纖維過濾材料可以應(yīng)用于工業(yè)粉塵過濾系統(tǒng)、室內(nèi)空氣過濾(如作為空氣凈化器濾芯和空調(diào)濾芯等)、機(jī)動(dòng)車氣體過濾系統(tǒng)(如用于車載空氣凈化器和尾氣過濾器等)、另外還可以用作紗窗、窗簾、門簾等，也可以用于制作防護(hù)服和口罩等。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

(1)本發(fā)明首次在靜電紡聚合物納米纖維中加入c3n4納米片，得到一種功能化納米纖維過濾材料；

(2)本發(fā)明功能化納米纖維過濾材料中加入的c3n4納米片，不含金屬，具有很好的生物相容性，由于其自身特有的層狀結(jié)構(gòu)、缺陷以及氨基基團(tuán)，使其在用作空氣過濾材料時(shí)，不僅可以有效攔截空氣中的懸浮顆粒，還可以吸附氮氧化物、co、so2等化學(xué)污染物，尤其對空氣中的有機(jī)染料(亞甲基藍(lán)、甲基橙和羅丹明b等)和小分子化合物(甲醛、苯酚、2,4-二氯苯酚、2,4,6-三氯苯酚、十溴聯(lián)苯醚、乙醛、no和cr等)也有很好的過濾作用，可以大大提高空氣凈化效果。另外，由于它超高的硬度，可以很好的提高納米纖維膜的機(jī)械強(qiáng)度，它自帶的缺陷，有效提高了濾材的比表面積并且減小壓降，大大增加其吸附量并提高過濾效率。

(3)本發(fā)明所使用的c3n4納米片，由于其獨(dú)特的二維材料性質(zhì)和其特有的氨基基團(tuán)，使其加入到紡絲纖維時(shí)，與聚合物本身發(fā)生協(xié)同作用，對小顆粒污染物及甲醛等有機(jī)污染物有更加高效的分離效果。

(4)本發(fā)明功能化納米纖維過濾材料的制備方法簡單，不需要特殊裝置和設(shè)備，可適用于一系列廣泛的納米纖維膜過濾材料的制備；

(5)本發(fā)明功能化納米纖維過濾材料應(yīng)用廣泛，有很好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所使用的靜電紡絲設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明所得功能化納米纖維過濾材料的結(jié)構(gòu)及功能示意圖。

圖3是本發(fā)明所得功能化納米纖維過濾材料進(jìn)行過濾測試時(shí)的測試裝置示意圖。

圖4是本發(fā)明所得功能化聚偏氟乙烯+c3n4納米纖維過濾材料的掃描電鏡(sem)圖。

圖5a是本發(fā)明所用c3n4納米片的原子力顯微鏡電鏡(afm)圖。

圖5b是本發(fā)明所用c3n4納米片的厚度分析圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例3所得功能化聚偏氟乙烯+c3n4納米纖維過濾材料與添加其他物質(zhì)的過濾效率對比圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例3所得功能化聚偏氟乙烯+c3n4納米纖維過濾材料對甲醛和一氧化碳的過濾效率圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

圖1是本發(fā)明所使用的靜電紡絲設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，該設(shè)備包括平板接收器1、靜電紡絲裝置的推注系統(tǒng)2和靜電高壓提供系統(tǒng)3。

圖2是本發(fā)明所得功能化納米纖維過濾材料的結(jié)構(gòu)及功能示意圖，該材料包括功能化納米纖維層4，基底層5，納米纖維6和c3n4納米片7。

圖3是本發(fā)明所得功能化納米纖維過濾材料進(jìn)行過濾測試時(shí)的測試裝置示意圖，該裝置包括檢測器8，氣流進(jìn)口9，氣流出口10，腔室11，膜材料12。

實(shí)施例1

一種功能化納米纖維過濾材料的制備方法，具體步驟為：

(1)將聚乳酸(pla)置于60℃的真空烘箱中干燥2h。用電子天平準(zhǔn)確稱取14.235gn-n二甲基甲酰胺置于25ml燒杯中，然后稱取0.015gc3n4納米片(該納米片的原子力顯微鏡圖和厚度分析圖如圖5a和5b所示)置于n-n二甲基甲酰胺中，超聲震蕩6h，取出燒杯，用電子天平準(zhǔn)確稱取0.75g干燥好的聚乳酸粉末置于所述燒杯中，常溫磁力攪拌24h，配制成均勻并且穩(wěn)定的含c3n4納米片的聚丙烯腈紡絲液。

(2)將步驟(1)所得紡絲液通過靜電紡絲技術(shù)制備于基底上，具體使用圖1所示的靜電紡絲設(shè)備進(jìn)行靜電紡絲，將剪裁好的基底(華濾織材hfc30)，黏在平板接收器上，調(diào)節(jié)靜電紡絲參數(shù)，推注系統(tǒng)的平移速度為120mm/min，接收距離為30cm，靜電高壓為25kv，推注速度為2ml/h，溫度為25℃，相對濕度為70％，得到功能化納米纖維過濾材料，即功能化聚乳酸+c3n4納米纖維過濾材料，所得材料中納米纖維膜的纖維直徑為500nm，克重為0.05g/m²，孔隙率85％。

本實(shí)施例所得的功能化納米纖維過濾材料的結(jié)構(gòu)及功能示意圖如圖2所示，所得功能化納米纖維過濾材料的掃描電鏡圖如圖4所示。

實(shí)施例2

一種功能化納米纖維過濾材料的制備方法，具體步驟為：

(1)將聚氯乙烯(pvc)粉末置于60℃的真空烘箱中干燥2h。用電子天平準(zhǔn)確稱取5.625gn-n二甲基甲酰胺和5.625g四氫呋喃置于50ml燒杯中，然后稱取1.5gc3n4納米片(該納米片的原子力顯微鏡圖和厚度分析圖如圖5a和5b所示)，置于上述混合溶劑中，用超聲震蕩儀震蕩6h，取出燒杯，用電子天平準(zhǔn)確稱取2.25g干燥好的聚氯乙烯粉末置于所述燒杯中，常溫磁力攪拌24h，配制成均勻并且穩(wěn)定的含c3n4納米片的聚氯乙烯紡絲液。

(2)將步驟(1)所得紡絲液通過靜電紡絲技術(shù)制備于基底上，具體使用圖1所示的靜電紡絲設(shè)備進(jìn)行靜電紡絲，將剪裁好的基底(華濾織材hfc30)，黏在平板接收器上，調(diào)節(jié)靜電紡絲參數(shù)，推注系統(tǒng)的平移速度為120mm/min，接收距離為30cm，靜電高壓為30kv，推注速度為2ml/h，溫度為15℃，相對濕度為25％，得到功能化納米纖維過濾材料，即功能化聚氯乙烯+c3n4納米纖維過濾材料，所得材料中納米纖維膜的纖維直徑為300nm，克重為2g/m²，孔隙率80％，掃描電鏡圖與圖4相似。

本實(shí)施例所得的功能化納米纖維過濾材料的結(jié)構(gòu)及功能示意圖如圖2所示。

實(shí)施例3

一種功能化納米纖維過濾材料的制備方法，具體步驟為：

(1)將聚偏氟乙烯(pvdf)粉末置于60℃的真空烘箱中干燥2h。用電子天平準(zhǔn)確稱取8.25gn-n二甲基甲酰胺置于50ml燒杯中，然后稱取3gc3n4納米片(該納米片的原子力顯微鏡圖和厚度分析圖如圖5a和5b所示)置于上述溶劑中，用超聲震蕩儀震蕩5h，取出燒杯，用電子天平準(zhǔn)確稱取3.75g干燥好的聚偏氟乙烯粉末置于所述燒杯中，常溫磁力攪拌24h，配制成均勻并且穩(wěn)定的含c3n4納米片的聚偏氟乙烯紡絲液。

(2)將步驟(1)所得紡絲液通過靜電紡絲技術(shù)制備于基底上，具體使用圖1所示的靜電紡絲設(shè)備進(jìn)行靜電紡絲，將剪裁好的基底(華濾織材hfc30)，黏在平板接收器上，調(diào)節(jié)靜電紡絲參數(shù)，推注系統(tǒng)的平移速度為100mm/min，接收距離為30cm，靜電高壓為30kv，推注速度為2ml/h，溫度為20℃，相對濕度為20％，得到功能化納米纖維過濾材料，即功能化聚偏氟乙烯+c3n4納米纖維過濾材料，所得材料中納米纖維膜的纖維直徑為450nm，克重為0.01g/m²，孔隙率95％，掃描電鏡圖與圖4相似。

本實(shí)施例所得的功能化納米纖維過濾材料的結(jié)構(gòu)及功能示意圖如圖2所示。

實(shí)施例1、2、3所得功能化納米纖維過濾材料用作空氣過濾材料的過濾性能測試測試：

本裝置采用的污染空氣的來源有兩種，一是香煙煙霧，二是植物材料的燃燒煙霧。已經(jīng)有證據(jù)證實(shí)，香煙煙霧中包含的pm(懸浮顆粒物)的粒徑范圍從0.01-10μm，它大約包含有7000種不同的化學(xué)物質(zhì)，大部分是有害的甲醛

(hcho)和co污染物。植物材料的燃燒煙霧也包含一個(gè)大粒徑范圍的pm和高濃度的甲醛(hcho)和co污染物。污染空氣被稀釋可測量水平后，通入實(shí)驗(yàn)裝置的左邊腔室內(nèi)，采用粒子計(jì)數(shù)器(cem，dt-9881)對污染空氣進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)，在控制空氣流速為5.33cm/s的情況下，采用壓力計(jì)(uei,em201-b)測量濾膜氣流的壓力差。將濾膜裁剪成直徑為10cm的圓形，有夾具夾持進(jìn)行過濾測試。濾膜的過濾效率η即可表示為

η＝((c0-c1))/c0

式中：c0表示左側(cè)腔室的空氣污染物數(shù)量，

c1表示右側(cè)腔室的空氣污染物數(shù)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：實(shí)施例1、2、3所得功能化納米纖維過濾材料用作空氣過濾材料均對空氣中pm的過濾效率達(dá)95％以上，過濾壓降在10～50pa之間，實(shí)施例3結(jié)果如圖6所示(圖6中pvdf+二氧化硅、pvdf+鈦酸鋇、pvdf材料的制備方法與實(shí)施例3一致，只是把氮化碳改為二氧化硅、鈦酸鋇)。對甲醛(hcho)和co的過濾效率達(dá)到60-80％，實(shí)施例3結(jié)果如圖7所示。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其它的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。