[发明专利]一种静电纺纳米纤维空气过滤材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电纺纳米纤维空气过滤材料及制备方法，尤其是以不同种类及结构的高分子材料为原料，采用三维自由液面静电纺丝的方法批量制备纳米纤维膜，所制备的纳米材料可应用于个人防尘口罩、空气净化器、空调过滤器、汽车过滤器等空气过滤产品。

背景技术

空气过滤材料可有效拦截空气中的有害粉尘颗粒物，以满足人们生活及工业生产的洁净空间需求。目前，应用于空气过滤设施及设备的材料主要包括超细玻璃纤维、碳纤维毡垫、高分子织物、及熔喷非织造产品等。其中熔喷无纺布，尤其是经驻极处理的无纺布材料以其较高的过滤效率及相对较低的压降占据了同类产品的主流市场，但该产品在应用过程中具有一定的局限性。首先，驻极产品对离子型颗粒的过滤效率提高明显，但对油性颗粒的过滤效率几乎无明显改善；其次，驻极产品的耐清洗性和耐溶剂性差。

与上述空气过滤材料相比，基于静电纺丝法制备的纳米纤维，具有比表面积大、孔隙率高、制备过程简单等优点，借住机械拦截即可高效滤除PM2.5、花粉、病毒等有害颗粒物。但目前为止，纳米纤维膜在过滤方面有两大技术壁垒，一是产量低，二是阻力高，透气性差。

为解决纳米纤维在空气过滤材料应用过程中所存在的阻力高、透气性差的问题，国内外诸多研究机构提出了一些解决方法。比如在聚合物溶液中添加二氧化钛，经静电纺丝后，所得到的纤维膜表面形貌出现多孔结构，使其过滤效率增加，滤阻下降[Wang，N.，Si，Y.，Wang，N.，etal.SeparationandPurificationTechnology126：44-51.]。但添加无机颗粒的方法一方面会使成本增加；另一方面，颗粒物的沉降会导致喷头阻塞，影响影响纳米纤维膜孔隙的均匀度及膜的过滤性能。Li等[LiJ.，GaoF，LiuLQ，etal.ExpressPolymerLetters，2013，7(8).]研究了采用无针纺丝方法纺制多层排列的过滤材料，其滤效可达99.95％，阻力有所下降。但采用多层复合工艺的方法，工序较繁琐，生产效率较低。丁斌等通过调控纺丝装置电压制备出的纳米纤维膜阻力较低，但该方法采用针式喷头，较难实现批量化工业生产。基于上述基于静电纺丝的方法制备空气过滤材料所存在的优势与缺陷，需开发一种可以批量化生产纳米纤维膜，并赋予纳米材料较高过滤效率，较低过滤阻力及良好的透气性能的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种静电纺纳米纤维空气过滤材料及其制备方法，即采用三维自由液面静电纺丝法批量化制备纳米纤维膜，并赋予纳米材料过滤效率高、过滤阻力低、透气透湿性能好等优势。本发明所涉及的纳米纤维膜作为防颗粒物口罩使用时，与目前同类市场采用的普通无纺布及驻极+无纺布产品相比，过滤效率更高，可达99.99％，超越美国NIOSHN95标准及中国GB26262006KN95标准。相关产品作为空气净化器、空调过滤器、汽车过滤器等过滤设施使用时，与同类市场采用的超细玻璃纤维膜及熔喷纤维非制造布相比，滤效更高，能耗更低，可耐高温。有效克服玻璃纤维膜过滤效率一般、机械性能差及致癌隐患等缺陷。

本发明提供了一种静电纺纳米纤维空气过滤材料及其制备方法，其特征在于，所述空气过滤材料的滤效不低于95～99.55％，滤阻不高于20mmH₂O，压降为100～150Pa，压降指纳米纤维膜前后表面的压力差，透气性为250～356L·m^-2·s^-1，透湿性为2～10.5m²·Pa/w。

优选地，所述空气过滤材料在采用75nmNacl气溶胶、流速为85L/Min的实验条件下，其滤效为95～99.55％，滤阻为17～31mmH₂O。

本发明还提供了上述静电纺纳米纤维空气过滤材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1)：将高分子聚合物溶于溶剂中，制备低黏度溶液；

步骤2)：在低速滚筒，连续供液和低横移速度条件下将上述纺丝溶液进行静电纺丝，得到窄分布、微取向纳米纤维膜；

步骤3)：将得到的纳米纤维膜静置2h后放入真空干燥箱，低温烘干后再静置10～12h，得到的纳米纤维膜制备成空气过滤产品，包括口罩或空气过滤膜。

优选地，所述步骤1)中的高分子聚合物为任意可用于静电纺丝的聚合物的一种或几种，包括聚丙烯腈、聚天冬氨酸、聚氯乙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、壳聚糖、聚偏氟乙烯、尼龙6等的一种或几种。