[发明专利]一种具有梯度结构的碳纳米管空气过滤材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有梯度结构的碳纳米管空气过滤材料及其制备方法，属于空气过滤技术及其材料制备技术领域。

背景技术

空气过滤材料广泛应用于半导体行业、制药与食品行业、汽车工业、核工业、建筑行业等等各个领域，用于去除空气中的颗粒物，对人体健康、工作场所以及产品质量起到保护作用。随着科技技术的发展以及人们环境保护与健康防护意识的日益增强，市场对于过滤材料的需求也越来越大。

评价空气过滤材料质量的性能指标主要有效率、阻力、容尘量与通量四个方面，纤维的类型以及纤维的排列组合方式对空气过滤材料的性能起着决定性作用。目前，使用纳米纤维以及对纤维排布结构进行优化设计是空气过滤材料的主要发展方向。例如，美国唐纳森公司(Donalson)生产的纳米纤维滤筒（Torit Ultra-WebCE Nanofiber）使用了直径仅为0.2微米的纤维；美国北卡罗莱那大学的非纺材料研究中心（Nonwovens Cooperative Research Center）研究的翼状纤维，其横截面为具有32个翅膀的翼状结构。这些纤维的共同特征是具有非常高的比表面积，大大增加了纤维与气溶胶颗粒之间的碰撞几率，因而具有非常高的过滤效率以及容尘量。与此同时，研究还发现纤维的组合方式对于过滤材料的性能也有着重要的影响，在实际使用过程中，一般将粗效的纤维排列在前，高效的纤维排列在后，这种组合方式具有最佳的过滤性能。请参见“Leung W W F,Hung C H,Yuen P T.Experimental Investigation on Continuous Filtration of Sub-Micron Aerosol by Filter Composed of Dual-Layers Including a Nanofiber Layer.Aerosol Science and Technology,2009,43(12):1174-1183”。

碳纳米管自1991年被Iijima在Nature上报道后，一直是纳米领域的研究热点。碳纳米管的直径在0.4nm～100nm之间，远远低于目前空气过滤材料中使用的纤维。此外，碳纳米管还具有各方面非常优秀的物理性质，例如优异的力学性能、巨大的比表面积、良好的热稳定性等等。这些特性使得碳纳米管非常适合用于制备空气过滤材料。然而，如何将碳纳米管在纳米尺度的优良特性在宏观尺度体现出来仍然是个挑战。其技术挑战在于一方面要保持碳纳米管在宏观尺度上具有足够的机械强度，以满足在空气过滤中使用要求；另一方面，碳纳米管组成的宏观体还需具有足够的孔隙率以避免过高的过滤阻力。

目前，将碳纳米管应用于空气过滤领域常用的技术手段一般为使用溶液过滤或者气相生长的方法得到碳纳米管膜，然而，这种方法得到的碳纳米膜往往力学强度偏低；且由于碳纳米管之间排列过于紧密，导致碳纳米管膜具有非常大的阻力。因此这种方法得到的碳纳米管膜不利于在空气过滤中使用。此外，还有一些在多孔材料表面生长碳纳米管的方法，但这些方法都没有结合空气过滤的特性对过滤材料进行结构设计，所制备的材料往往具有过滤效率低、容尘量低的缺点。

纳米纤维特别是碳纳米管是一种直径小可由化学气相沉积生长而得到的纳米材料，由于其直径小，不仅使得过滤可以发生在转变流区域甚至分子流区域，从而大大降低过滤阻力，而且具有很高的过滤效率。此外，由于其化学气相沉积自组织的生长模式，可以通过控制在基体纤维中催化剂浓度的方法，使其生长的密度具有梯度分布。这样在进行过滤时，处于迎风面的过滤材料表层由于碳纳米管的含量较低，其过滤效率虽然低但具有相对较高的容尘量，同时具有比较低的过滤阻力。沿过滤材料厚度方向向下，碳纳米管的含量增加，从而提高了过滤效率，可以将剩余的低浓度的颗粒高效去除，同时也避免了由于颗粒堵塞导致阻力的快速增加。因此，通过碳纳米管在过滤材料厚度方向的梯度分布，能够实现对空气的梯度过滤，从而得到高过滤效率、低阻力、高容尘量的空气过滤材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有梯度结构的碳纳米管空气过滤材料及其制备方法，本发明以纤维过滤介质为基底，在纤维表面生长碳纳米管，碳纳米管的含量在纤维过滤介质的厚度方向呈梯度分布。

本发明所提供的一种具有梯度结构的碳纳米管空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：

以纤维过滤介质作为基底，配制金属催化剂；并使所述金属催化剂沿所述基底的厚度方向呈梯度分布；采用化学气相沉积法在所述纤维过滤介质的表面生长碳纳米管，即得到具有梯度结构的碳纳米管空气过滤材料。