一種高效低阻型交錯(cuò)排列納米纖維復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空氣過濾材料及其制備方法，尤其涉及一種高效低阻型交錯(cuò)排列納米纖維復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，快速的都市化及工業(yè)化進(jìn)程導(dǎo)致了嚴(yán)重的空氣污染，不僅造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也嚴(yán)重地影響了人們的身體健康和生活質(zhì)量，尤其是懸浮在空氣中粒徑小于2.5μπι的粉塵顆粒(PM2.5)不僅是導(dǎo)致霧霾天氣的重要原因，同時(shí)也是導(dǎo)致呼吸道疾病和心血管疾病的主要因素之一，因此對(duì)其進(jìn)行有效防護(hù)已經(jīng)是迫在眉睫。常規(guī)非織造材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于過濾行業(yè)的不同領(lǐng)域，例如:玻璃纖維、聚丙烯纖維、熔噴纖維等在空氣凈化器、空調(diào)濾芯及防護(hù)口罩等方面得到了廣泛應(yīng)用。但由于常規(guī)非織造材料的纖維直徑較大，結(jié)構(gòu)單一，其對(duì)較小粒徑顆粒的過濾性能較差。因此需要更有效的空氣過濾材料來滿足微小顆粒的過濾與攔截。
[0003]靜電紡納米纖維膜具有重量輕、比表面積大、孔隙率高、內(nèi)部孔隙連通性好等優(yōu)點(diǎn)，其過濾效率較常規(guī)過濾材料大大提高。但是現(xiàn)有的納米纖維制備方法得到的納米纖維過濾材料在過濾過程中均會(huì)產(chǎn)生較高的過濾阻力，嚴(yán)重影響了過濾材料的過濾性能和使用壽命。因此，需要開發(fā)出高過濾效率、低過濾阻力的空氣過濾材料。
[0004]有鑒于上述的內(nèi)容，本設(shè)計(jì)人，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種高效低阻型交錯(cuò)排列納米纖維復(fù)合材料及其制備方法，使其更具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高過濾效率，降低過濾阻力的高效低阻型交錯(cuò)排列納米纖維復(fù)合材料及其制備方法。
[0006]本發(fā)明提出的一種高效低阻型交錯(cuò)排列納米纖維復(fù)合材料，其特征在于:包括PLA-P纖維和PLA-N納米纖維或ΡΑ6納米纖維，所述PLA-P纖維的表面具有納米孔洞，所述PLA-P纖維與所述PLA-N納米纖維或ΡΑ6納米纖維呈交錯(cuò)式排列形成交錯(cuò)式復(fù)合結(jié)構(gòu)納米纖維膜，所述納米纖維膜中PLA-P纖維與PLA-N納米纖維或ΡΑ6納米纖維質(zhì)量比為3:1?10:1，所述納米纖維膜的孔隙率為82.15%?90.17%，平均孔徑為I.72μπι?4.97μπι。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述PLA-P纖維的直徑為1.2?1.8μπι，所述PLA-P纖維的表面納米孔洞的覆蓋密度為10%?23%，所述納米孔洞的直徑為30?90nm，所述PLA-N納米纖維的直徑為148?300nm，所述PA6納米纖維的直徑為100?300nm。
[0008]本發(fā)明提出的一種高效低阻型交錯(cuò)排列納米纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0009]步驟(I):將固態(tài)狀的PLA溶解在二氯甲烷(DCM)與N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)的混合溶劑中，配制得到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PLA溶液，作為多孔結(jié)構(gòu)PLA-P纖維的紡絲液；
[0010]步驟(2):將一定濃度的溴化鋰(LiBr)加入到DCM與DMAC質(zhì)量配比為10:1的混合溶劑中，然后再將一定質(zhì)量的固體聚合物PLA溶解到混合溶劑中，制得含有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PLA/LiBr溶液，作為PLA-N納米纖維的紡絲液；
[0011]步驟(3):將一定質(zhì)量的PA6聚合物溶解到88%的甲酸中，配制得到一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PA6溶液，作為PA6納米纖維的紡絲液；
[0012]步驟(4):將配制好的PLA溶液、PLA/LiBr溶液或者PA6溶液分別倒入置于全自動(dòng)橫移式接收滾筒兩側(cè)平行排列并連接有噴絲頭的若干注射針筒中，控制每個(gè)注射針筒的流量，所述注射針筒的流量由栗自由控制，然后進(jìn)行靜電紡絲，靜電紡絲的環(huán)境溫度為25°C，濕度為45%，控制紡絲電壓和紡絲距離，所述PLA溶液射流中由于含有較高蒸氣壓的二氯甲烷，二氯甲烷的快速揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致射流溫度迅速降低而發(fā)生相分離，形成了表面和內(nèi)部通體多孔結(jié)構(gòu)的PLA-P纖維，同時(shí)接收滾筒另一側(cè)針筒內(nèi)的PLA/LiBr溶液或PA6溶液在靜電紡絲時(shí)會(huì)形成的PLA-N納米纖維或PA6納米纖維，控制全自動(dòng)橫移式接收滾筒的轉(zhuǎn)速，將多孔結(jié)構(gòu)PLA-P纖維與PLA-N納米纖維或者PA6納米纖維交錯(cuò)排列地沉積到接收滾筒上，形成交錯(cuò)式復(fù)合結(jié)構(gòu)納米纖維膜。
[0013]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(I)所述的混合溶劑中二氯甲烷(DCM)與N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)的質(zhì)量比為8:1?12:1，所述PLA溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7 %?9 %。
[OOM]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(2)所述溴化鋰(LiBr)的濃度為0.0005?0.0015mol/L，所述PLA/LiBr溶液中LiBr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?7%。
[0015]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(3)所述PA6溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%?25%。
[0016]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(4)中制備多孔結(jié)構(gòu)PLA-P纖維的紡絲電壓為15?18kV，PLA溶液流量為0.5?I.51111/]1，紡絲距離10?150]1。
[0017]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(4)中制備PLA-N納米纖維的紡絲電壓為20?24kV，PLA/LiBr 溶液流量為0.4ml/h ?0.81111/11，紡絲距離10?150]1。
[0018]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(4)中制備PA6納米纖維的紡絲電壓為15?25kV，PA6溶液流量為0.05?0.151111/11，紡絲距離10?15011。
[0019]作為本發(fā)明方法的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟(4)中所述全自動(dòng)橫移式接收滾筒的直徑為10011，轉(zhuǎn)速為0?901'/111；[11。
[0020]借由上述方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單，產(chǎn)量高，成本低廉，所制備出的交錯(cuò)式復(fù)合過濾材料對(duì)微細(xì)顆粒物具有較高的過濾效率和較低的過濾阻力，在個(gè)體防護(hù)、空氣凈化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0021]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明高效低阻型交錯(cuò)排列納米纖維復(fù)合材料的電鏡圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一中制備的復(fù)合纖維膜過濾測(cè)試前后的電鏡圖；
[0024]圖3為本發(fā)明中全自動(dòng)橫移式接收滾筒原理示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明中噴絲頭在接收滾筒兩側(cè)的分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0027]實(shí)施例一:
[0028]第一步:將二氯甲烷與N，N-二甲基乙酰胺按質(zhì)比12:1的比率進(jìn)行混合作為混合溶劑，稱取0.7g的PLA聚合物顆粒溶于9.3g的混合溶劑中，然后在常溫下經(jīng)過磁力攪拌器的攪拌制備出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的混合均勻的透明溶液(PLA溶液)，作為多孔結(jié)構(gòu)PLA纖維(PLA-P)的紡絲液。將0.0Olmol/L的LiBr加入到DCM/DMAC質(zhì)量配比為10:1的混合溶劑中，然后再將一定質(zhì)量的固體聚合物PLA溶解到混合溶劑中，制得含有LiBr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的PLA聚合物溶液(PLA/LiBr溶液)，作為PLA納米纖維(PLA-N)的紡絲液。
[0029]第二步:將PLA溶液注入到置于全自動(dòng)橫移接收滾筒一側(cè)的4個(gè)針筒中，紡絲工藝參數(shù)均為:電壓16kV、紡絲液流量Iml/h，紡絲距離12cm。同時(shí)將PLA/LiBr溶液分別注入置于全自動(dòng)橫移接收滾筒另一側(cè)的兩個(gè)針筒中，紡絲工藝參數(shù)均為:紡絲電壓20kV、紡絲液流量0.5ml/h，紡絲距離12cm。另外，紡絲的環(huán)境溫度為25°C，濕度為45%。
[0030]第三步:首先打開控制各個(gè)針筒流量的流量栗，然后打開控制紡絲電壓的高壓電源，通過靜電紡絲7%的PLA溶液得到纖維通體具有納米多孔結(jié)構(gòu)的PLA-P纖維，PLA-P纖維的直徑為1.69微米，纖維表面納米孔洞的覆蓋密度為22.38%;同時(shí)靜電紡絲7%PLA/LiBr溶液得到纖維直徑僅為149nm的超細(xì)PLA納米纖維。當(dāng)兩種類型的纖維同時(shí)沉積到能夠自動(dòng)橫移和旋轉(zhuǎn)的接收滾筒上時(shí)，就會(huì)形成交錯(cuò)式堆積排列的結(jié)構(gòu)。靜電紡絲60min就能形成質(zhì)量比為4:1厚度均勻呈交錯(cuò)排列的復(fù)合膜。復(fù)合膜的克重為6.21g/m2、孔隙率為87.2%、平均孔徑為3.40μπι。利用Certi Test 8130型自動(dòng)濾料測(cè)試儀測(cè)得該復(fù)合纖維膜對(duì)數(shù)量中值直徑為75nm、質(zhì)量中值直徑為260nm的NaCl氣溶膠，在氣溶膠流量為32L/min時(shí)的過濾效率可達(dá)99.998%，過濾阻力僅為110.2Pa。過濾測(cè)試前后纖維膜的電鏡圖片見圖2。
[0031]實(shí)施例二:
[0032]第一步:將二氯甲烷與N，N-二甲基乙酰胺按質(zhì)比10:1的比率進(jìn)行混合作為混合溶劑，稱取0.7g的PLA聚合物顆粒溶于9.3g的混合溶劑中，然后在常溫下經(jīng)過磁力攪拌器的攪拌制備出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的混合均勻的透明溶液(PLA溶液)，作為多孔結(jié)構(gòu)PLA纖維(PLA-P)的紡絲液。將0.001mol/L的LiBr加入到DCM/DMAC質(zhì)量配比為10:1的混合溶劑中，然后再將一定質(zhì)量的固體聚合物PLA溶解到混合溶劑中，制得含有LiBr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的PLA聚合物溶液(PLA/LiBr溶液)，作為PLA納米纖維(PLA-N)的紡絲液。
[0033]第二步:將PLA溶液注入到置于全自動(dòng)橫移接收滾筒一側(cè)的4個(gè)針筒中，紡絲工藝參數(shù)均為:電壓16kV、紡絲液流量Iml/h，紡絲距離12cm。同時(shí)將PLA/LiBr溶液分別注入置于全自動(dòng)橫移接收滾筒另一側(cè)的兩個(gè)針筒中，紡絲工藝參數(shù)均為:紡絲電壓20kV、紡絲液流量0.4ml/h，紡絲距離12cm。另外，紡絲的環(huán)境溫度為25°C，濕度為45%。
[0034]第三步:首先打開控制各個(gè)針筒流量的流量栗，然后打開控制紡絲電壓的高壓電源，通過靜電紡絲7%的PLA溶液得到纖維通體具有納米多孔結(jié)構(gòu)的PLA-P纖維，PLA-P纖維