本發(fā)明涉及纖維素多孔薄膜的制備方法，具體涉及了利用植物纖維構(gòu)筑的具有PM2.5阻擋性能多孔紗窗的制備。

背景技術(shù)：

天然纖維素是地球上最豐富的生物質(zhì)資源，納米纖維素具有纖維素的基本結(jié)構(gòu)、性能以及納米顆粒的典型特性，是一種新型的高分子功能材料，纖維素納米纖維具有高結(jié)晶度、高強度及高比表面積等特性，加之具有輕質(zhì)、生物相容性及可降解性，其在造紙、建筑、食品、電子產(chǎn)品、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。常見纖維素納米纖維制備方法有機械法，化學(xué)法及生物處理法等。

隨著工業(yè)社會的發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，空氣的污染也日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅到人們的身體健康，尤其是近幾年來我國的空氣污染非常嚴(yán)重，霧霾天氣越來越多，而且PM2.5指數(shù)經(jīng)常超量程。要完全解決霧霾天氣的可能還需要10-20年時間，怎樣在有霧霾的天氣條件下能呼吸到新鮮空氣就需要將含霧霾空氣凈化過濾。目前市場上用的最多的是空氣凈化器以及口罩，但性能良莠不齊，經(jīng)測試及媒體曝光很多產(chǎn)品性能完全沒有阻擋PM2.5的功能。凈化器價格昂貴能耗較高，運行成本高。由于空氣凈化器只是在周邊小范圍內(nèi)進行空氣交換難以達到整個室內(nèi)空氣的凈化。另外一種就是新風(fēng)過濾系統(tǒng)，其效果有待評估，且運行成本也非常高，且更換維護比較麻煩。如果能夠?qū)⒃瓉碛糜谧钃跷米由n蠅的紗窗做成可阻擋PM2.5的防霧霾功能絲網(wǎng)，且兼具透光和透氣的功能，將具有非常廣泛的市場。因為這種絲網(wǎng)可以用于任意封閉的建筑物(住宅、辦公樓等)、交通工具(汽車、火車、動車高鐵等)，市場前景非常大。目前市場僅有的一款具有該功能的由清華大學(xué)開發(fā)的核孔膜，一款利用核技術(shù)制備的多孔膜已在小范圍銷售，但是由于其制備需要用到高能離子束，受設(shè)備限制，大面積工業(yè)化制備成本高昂，所以市場推廣難以為繼。因此開發(fā)一種低成本、具有透光、防水自清潔、透氣、殺菌、防PM2.5霧霾的絲網(wǎng)將會極具投資價值和廣闊的市場。

目前，制備納米纖維素多使用TEPMO法，TEMPO/NaBr/NaClO催化氧化體系是一種有效的天然纖維素選擇性氧化體系，纖維素經(jīng)TEMPO氧化后再加以溫和的機械均質(zhì)處理便可制得納米纖維素。該納米纖維素制備方法反應(yīng)條件溫和、能耗低、污染小、納米纖維素得率高且尺寸均一，此外，目前只有TEMPO法可以制成長度大且能夠在水中穩(wěn)定分散的納米纖維素，因此TEMPO法被越來越多地用于納米纖維素的制備。目前，納米纖維制備的薄膜多用于水溶液中納米顆粒的分離，水污染的處理，或是納米纖維作為一種增強材料進行添加復(fù)合。而將納米纖維用于空氣過濾的多孔薄膜多采用靜電紡絲法制備，能耗高、制備復(fù)雜、參數(shù)難以調(diào)控、紡絲過程中加入有機溶劑存在一定的污染，限制了其產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種凝膠化在300目不銹鋼篩網(wǎng)基底上制備微/納米纖維多孔薄膜的制備方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是包括如下步驟，如圖1所示：

1)通過氧化2-8天制備纖維素混合溶液，將制得的纖維素混合溶液進行稀釋，然后通過過濾輔助凝膠化成膜的方法在基底上得到纖維多孔薄膜；

2)將制備得到的纖維多孔薄膜倒扣在裝有PDMS溶液的培養(yǎng)皿頂端上，纖維多孔薄膜和PDMS溶液不接觸，置于烘箱中，升溫至50℃后加熱4h，得到表面疏水的纖維多孔薄膜；

倒扣指的是將纖維多孔薄膜朝向PDMS溶液，基底朝向外側(cè)。

3)以步驟2)得到的表面疏水的纖維多孔薄膜作為紗窗上的用于阻擋PM2.5的阻擋層，進而制造獲得紗窗。

所述的纖維素混合溶液的配制是以去離子水作為溶劑，加入0.1-20mM的TEMPO、15mL-20mL NaClO溶液和纖維素在常溫下機械攪拌獲得，獲得的纖維素混合溶液中，纖維素質(zhì)量含量為0.5-2wt％，TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物)的質(zhì)量含量為0.016-3.200g/100mL，NaClO的質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為15-20mL/100mL。

所述的纖維素為微/納米纖維溶液。

所述步驟1)在稀釋后溶液中的纖維素的質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)為0.5％-0.65％w/v。

所述步驟1)通過過濾輔助凝膠化成膜的方法在基底上得到纖維多孔薄膜具體是將稀釋后的纖維素混合溶液倒在基底上通過真空泵進行抽濾成膜，基底為兩層，下層采用聚偏氟乙烯材料制成的膜(PVDF)，上層為300目不銹鋼篩網(wǎng)，稀釋后的纖維素混合溶液具體是倒在上層為300目不銹鋼篩網(wǎng)上，聚偏氟乙烯材料制成的膜的孔徑大小為50nm-4000nm，具體實施中聚偏氟乙烯材料制成的膜的孔徑為200nm。

本發(fā)明采用特定的300目的不銹鋼篩網(wǎng)，對于300目的不銹鋼篩網(wǎng)現(xiàn)有技術(shù)的情況是通過編織，碰焊，拉伸，沖孔等方式獲得。

所述的PDMS溶液采用道康寧SYLGARD184硅橡膠，通過PDMS溶液加熱后揮發(fā)對纖維素進行表面改性。

所述步驟2)通過PDMS溶液對纖維素表面進行表面改性后，纖維多孔薄膜的表面從超親水變?yōu)槭杷?，薄膜表面含?納米孔。

本發(fā)明能夠阻擋過濾空氣中PM2.5顆粒，有效凈化空氣。

本發(fā)明通過物理攪拌和化學(xué)反應(yīng)，在水溶液中選擇性氧化纖維素伯醇羥基，天然纖維素的氧化發(fā)生在微纖維表面，能引入羧基、醛基而不改變纖維形態(tài)和結(jié)晶度，氧化纖維素經(jīng)持續(xù)溫和的均質(zhì)處理便能制得具有微米納米孔徑的纖維素多孔薄膜。本發(fā)明實現(xiàn)了操作簡便、常溫條件下簡單方便地制備微/納米纖維素，并通過過濾輔助凝膠化的方法快速制備微/納纖維多孔薄膜，通過表面疏水改性，使其能夠用于具有PM2.5過濾功能的紗窗上的應(yīng)用。

在機械攪拌條件下，加入TEMPO和NaClO來氧化纖維素制備微/納米纖維多孔薄膜的方法，操作簡單、常溫制備。本發(fā)明通過對薄膜厚度的調(diào)節(jié)可獲得不同大小孔徑的微/納米纖維多孔薄膜，從而能用于不同的過濾，而纖維素表面含有大量官能團，可以對其進行改性，從而獲得想要的性能可用于空氣過濾，使得最終的紗窗過濾層具有強度高、剛性好、重量輕、比表面積大以及可生物降解等優(yōu)點。

本發(fā)明的其一目的在于制備獲得微米納米孔徑的纖維素薄膜，快速簡便，常溫制備，成本低廉。

本發(fā)明的另一目的在于通過對薄膜孔徑大小的調(diào)節(jié)，可以達到不同的截留性能，從而用于環(huán)境污染的處理。

本發(fā)明的另一目的在于，通過對纖維素氧化程度的調(diào)控，制備出應(yīng)用于空氣過濾的纖維素多孔薄膜，實現(xiàn)PM2.5的阻擋，分離膜材料無污染可降解，從而實現(xiàn)環(huán)境友好材料的應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

本發(fā)明通過添加氧化體系，在常溫機械攪拌條件下，利用對纖維素氧化程度的不同從而制備出不用孔徑大小的纖維素薄膜，通過對纖維素薄膜的改性，可以使其表面疏水，應(yīng)用于空氣過濾。

本發(fā)明操作簡便，常溫即可，快速高效，薄膜可降解。

附圖說明

圖1為實施例1中的用于空氣過濾的微/納米纖維多孔薄膜的制備流程圖；

圖2為實施例1中制備的微/納米纖維多孔空氣過濾薄膜的表面SEM照片；

圖3為實施例1中制備的微/納米纖維多孔空氣過濾薄膜的斷面SEM照片；

圖4為實施例1中制備的改性后的微/納米纖維多孔空氣過濾薄膜的表面SEM照片；

圖5為實施例1中制備的未改性及改性后的微/納米纖維多孔空氣過濾薄膜的接觸角測試圖片；

圖6為實施例2中制備的微/納米纖維多孔空氣過濾薄膜的表面SEM照片；

圖7為實施例3中制備的微/納米纖維多孔空氣過濾薄膜的表面SEM照片；

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步闡述和說明。

本發(fā)明的實施例如下：

以下實施例中纖維素混合溶液的配制均采用以下方式：

取1g干燥過的纖維素置于燒杯中，再稱量0.016gTEMPO，20mLNaClO(NaClO溶液(安替福民)活性氯(以Cl計≥5.2％))，80mL去離子水，一起混合在燒杯中，常溫下磁力攪拌。

實施例1

1)將氧化程度適宜的纖維素混合溶液稀釋，得到濃度為0.65％(M/V)纖維素溶液，分別取20mL，25mL，30mL，35mL，40mL，真空抽濾在300目不銹鋼篩網(wǎng)與PVDF多孔薄膜上，形成微/納米纖維多孔薄膜，見圖2和圖3。圖2顯示的是抽取30mL制備得到的微/納米纖維多孔薄膜，薄膜由微/納米纖維搭建而成，孔徑適宜。圖3顯示微/納米纖維多孔薄膜厚度適宜。PVDF多孔膜孔徑為200nm，直徑為7.5cm。

2)將實施例1中得到的微/納米纖維素多孔薄膜倒扣在裝有PDMS溶液的培養(yǎng)皿上，置于烘箱中升溫至50℃加熱4h。見圖4和圖5。圖4顯示改性后的微/納米纖維多孔薄膜，相較于未改性前，表面形貌未有多大變化，薄膜表面微/納米孔仍然存在。圖5顯示經(jīng)改性后微/納米纖維多孔薄膜從原來的超親水變?yōu)槭杷?。?jīng)PDMS加熱至50℃改性4小時后，其表面接觸角變?yōu)?15.6°。

實施例的PDMS溶液采用的是道康寧SYLGARD184硅橡膠，其中的A組分和B組分的體積比為10:1。

將實施例1中抽濾不同體積的纖維素溶液所制備得到的微/納米纖維素多孔薄膜均進行PM2.5阻擋性能的測試。PM2.5通過點煙的方式獲得，測試時間為25個小時，通過博華康生PM2.5測試儀(PHP-C)進行測試，實施例中30mL纖維素溶液所制備的薄膜，其PM2.5阻擋性能為93％，透氣性為30mm/s。制備的纖維素薄膜對PM2.5有較好的阻擋性能。故此，采用本實驗的方法可以在300目(即48微米)大小的不銹鋼篩網(wǎng)上成膜，且透氣性和透光性良好，因而可以作為阻擋PM2.5的紗窗使用。

實施例2

1)將氧化程度適宜的纖維素混合溶液稀釋，得到濃度為0.6％(M/V)纖維素溶液，分別取20mL，25mL，30mL，35mL，40mL，真空抽濾在300目不銹鋼篩網(wǎng)與PVDF多孔薄膜上，形成微/納米纖維多孔薄膜。

2)將實施例2中抽濾30mL得到的微/納米纖維素多孔薄膜倒扣在裝有PDMS溶液的培養(yǎng)皿上，置于烘箱中升溫至50℃加熱4h。改性后的薄膜如圖6，薄膜孔徑適宜。

實施例的PDMS溶液采用的是采用道康寧SYLGARD184硅橡膠，其中的A組分和B組分的體積比為10:1。

實施例3

1)將氧化程度適宜的纖維素混合溶液稀釋，得到濃度為0.5％(M/V)纖維素溶液，分別取20mL，25mL，30mL，35mL，40mL，真空抽濾在300目不銹鋼篩網(wǎng)與PVDF多孔薄膜上，形成微/納米纖維多孔薄膜。

2)將實施例3中抽濾30mL得到的微/納米纖維素多孔薄膜倒扣在裝有PDMS溶液的培養(yǎng)皿上，置于烘箱中升溫至50℃加熱4h。改性后的薄膜如圖7，薄膜孔徑較大。

實施例的PDMS溶液采用的是采用道康寧SYLGARD184硅橡膠，其中的A組分和B組分的體積比為10:1。

由此可見，本發(fā)明的纖維素薄膜改性后能進行空氣過濾，有效阻擋PM2.5顆粒，并且常溫即可，快速高效，能夠降解，技術(shù)效果顯著突出。