本发明涉及一种空气过滤材料，具体涉及一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法。
背景技术：
随着经济的快速发展，人类在工业生产和自然活动过程中产生了大量的粉尘颗粒、化学物质、有害微生物等，严重危害着环境质量和人们身体健康，2020年新型冠状病毒肺炎的出现与传播更是引起了人们对空气过滤领域的极度关注，有效控制空气中的有害物质是急需解决的重大问题。
常规的过滤材料依靠材料本身的结构特点实现对颗粒的有效过滤，对于细小微粒的去除不够彻底，而且材料本身容易滋生有害微生物，存在二次污染的可能。而驻极材料通过静电吸附作用可以在原有滤料结构效率的基础上大幅度提高静电吸附力对颗粒的拦截作用从而提高过滤效率，同时又保证低压阻的特点。
用作驻极体的原材料需要优异的介电性能，如高体电阻和表面电阻、高介电击穿强度、低吸湿性和透气率等。驻极体材料可分为无机驻极体、聚合物驻极体和生物驻极体。用作空气过滤材料的主要是高聚物驻极体材料如聚四氟乙烯（ptfe）、氟化乙丙烯共聚物（fep）、聚偏氟乙烯（pvdf）等都是性能优良的驻极体材料。
静电纺不但是一种利用高压电进行纺丝的纳米纤维制备技术，同时也是一种纳米纤维驻极技术，其相比于电晕放电以及热极化驻极技术的优势在于纺丝的过程中即可将大量空间电荷注入纤维当中，而空间电荷易被纤维内部的深陷阱捕获，同时可诱导偶极极化而产生极化电荷，驻极效果长效持久，因而静电纺丝法可一步成型制备纳米纤维驻极过滤材料，且具有优异的驻极效果。
申请号：201410254387.3公开了一种聚砜酰胺纳米纤维毡的制备方法，包括以下步骤：将聚砜酰胺和溶剂混合配制聚砜酰胺纺丝原液，并注入静电纺丝装置的注射器中，在外加电场作用下，调整收集距离，当电场力大于溶液表面张力时，金属针头顶端的液滴变成锥形，并从顶端喷射出来形成射流，射流在电场中拉伸变细，同时溶剂挥发固化，落在一定接收距离的铝箔上形成静电纺丝膜，在真空条件下进行干燥后，得到聚砜酰胺静电纺丝膜。通过静电纺丝制备了不同结构和形貌的聚砜酰胺纳米纤维毡，所制备的聚砜酰胺纳米纤维毡具有优秀的吸附性能，热稳定性能，是一种非常有前景的分离过滤材料。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法。
本发明的再一目的是，提供上述方法获得的一种ptfe/芳砜纶复合纤维过滤材料。
本发明目的通过下述方案实现：一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法，以芳砜纶（聚砜酰胺）为基体，在芳砜纶中添加聚四氟乙烯（ptfe）纳米颗粒，通过静电纺丝技术制备ptfe/芳砜纶纳米复合纤维膜，包括下述步骤：
1）将聚四氟乙烯纳米颗粒分散在n,n-二甲基甲酰胺溶剂中，并超声20～60min，得到聚四氟乙烯纳米颗粒的溶剂分散液；
2）在质量分数为10～17%的聚砜酰胺聚合物溶液中加入上述聚四氟乙烯纳米颗粒的溶剂分散液，并连续搅拌30～120min，再将溶液进行超声脱泡，超声时间为20～120min，形成ptfe/芳砜纶纳米复合材料纺丝液，使聚四氟乙烯纳米颗粒占纺丝液中的质量分数为0.1～2%；
3）将ptfe/芳砜纶纳米复合材料纺丝液均匀缓慢注入注射装置的料筒中，进行静电纺丝，注射装置在接收装置正上方竖直放，通过操作控制系统，将纺丝液从纺丝料筒中缓慢挤出，经过电场拉伸形成纳米纤维，最终在接收装置表面形成ptfe/芳砜纶纳米复合纤维膜，其中，所述静电纺丝工艺参数为：静电压为20～50kv，接收距离为10～20cm，灌注速度为0.2～0.8ml/h，接收装置为滚筒旋转接收，转数为20～50r/min，静电场环境温度为25～50℃，湿度为50％以下。
本发明方法充分考虑了纺丝溶液的稳定性以及其中驻极体ptfe纳米颗粒的分散均匀性直接影响纳米纤维过滤膜的过滤及电荷储存性能。为防止较低表面能的ptfee纳米颗粒在溶液中易产生团聚现象，设计了通过超声及长时间搅拌，可使其在溶液中的分散性能得到提高。
具体的，将0.12g～0.18g聚四氟乙烯纳米颗粒分散在5mln,n-二甲基甲酰胺溶剂中，并超声20～60min，得到聚四氟乙烯纳米颗粒的溶剂分散液。
在上述方案基础上，所述聚四氟乙烯纳米颗粒直径为100～150nm。
考虑到纺丝液粘度对分子间抱合力及电场力拉伸性能的影响，为提高纺丝性，优选的，纺丝液中聚砜酰胺质量分数为12～14%。
聚合物的含量直接影响纺丝液的粘度，粘度大时，分子间抱合力大，电场力拉伸困难，不能充分拉伸导致直径相应变大；但粘度过小时，分子间抱合力小，溶液过稀，无法拉伸导致可能形成不了纤维。
为保证纤维膜均匀性，纺丝前，在滚筒上平铺并固定一无纺布基材。在接收滚筒上平铺并固定一无纺布基材，在平铺过程中不可以用力拉扯基材，以防出现褶皱。
优选的，步骤2）中，采用高剪切乳化分散机以20000r/min的速度对混合溶液搅拌30min，然后将混合溶液放入超声浴中脱泡120min，形成混合均匀的四氟乙烯/芳砜纶纺丝液。
优选的，步骤3）中，静电纺丝工艺参数为：设置静电压为24kv，接收距离为10cm，灌注速度为0.3ml/h，滚筒转数为30r/min，静电场环境温度为25℃，湿度为30％。
本发明还提供了一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料，根据上述方法制备得到的，其中，纺丝液中，聚砜酰胺聚合物质量分数为10～17%，聚四氟乙烯纳米颗粒质量分数为0.1～2%。
本发明制备方法步骤简单，可操作性强，通过混合工艺和静电纺工艺，使ptfe/芳砜纶驻极体纳米复合纤维过滤材料中ptef纳米驻极体均匀分布在纤维中，通过静电纺丝过程中的高压电场作用，驻极体材料的电荷存储能力和电荷稳定性增强，利用复合驻极过滤材料的静电效应，在保持低压阻的同时可有效提高滤材的过滤效率。本发明方法得到的ptfe/芳砜纶驻极体纳米复合纤维过滤材料过滤性能高、过滤阻力小。
附图说明
图1为静电纺丝设备结构示意图。
1——注射装置；2——接收装置；
3——控制系统；
4——高压电源。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料，以芳砜纶（聚砜酰胺）为基体，在芳砜纶中添加ptfe纳米颗粒，通过静电纺丝技术制备ptfe/芳砜纶纳米复合纤维膜，按下述步骤制备：
1）ptfe分散液的配置：
将0.12gptfe纳米颗粒分散在5mln,n-二甲基甲酰胺溶剂中，并超声20～60min，得到ptfe纳米颗粒的溶剂分散液，所述ptfe纳米颗粒直径为100～150nm；
2）将ptfe/芳砜纶纺丝液的配置：
称取100g质量分数为12%的聚砜酰胺纺丝液，加入上述ptfe纳米颗粒的溶剂分散液混合，用高剪切乳化分散机以20000r/min的速度对混合溶液搅拌30min，然后将混合溶液超声脱泡120min，形成混合均匀的ptfe/芳砜纶纺丝液；
3）静电纺丝制备静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料：
将上述的ptfe/芳砜纶纺丝液缓慢注入注射料筒中，进行静电纺丝，静电纺丝设备如图1所示，包括注射系统1、接收装置2、控制系统3和高压电源4，注射装置1在接收装置2正上方竖直放，接收装置2为一滚筒装置，在静电纺丝前，在滚筒上平铺并固定无纺布基材，其中，控制系统3用于包含对整个系统的启动及终止、纺丝液的推进及挤出、纺丝速率等的参数设置；
静电纺丝制备纳米纤维过程中，配制好的掺杂pfte微粒的纺丝溶液应缓慢吸入注射系统1的注射器中以避免产生气泡，在推进器的控制下，纺丝液被缓慢挤出，经过高压电源4提供的电场拉伸区形成纳米纤维，最终在接收装置2表面形成ptfe/芳砜纶纳米复合纤维膜，
采用静电纺丝工艺，设置静电压为24kv，接收距离为10cm，灌注速度为0.3ml/h；接收装置2为滚筒旋转接收，转数为30r/min；静电场环境温度为25℃，湿度为30％；纺丝液被挤压出经过电场拉伸形成纳米纤维，最终在接收装置2表面形成ptfe/芳砜纶纳米复合纤维膜。
上述制备的驻极体复合过滤材料经测定，纤维平均直径为200nm，纤维膜过滤效率为99.92%（过滤效率针对粒径大于0.3μm的粒子），压阻为19pa。
实施例2
一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料，与实施例1近似，按下述步骤制备：
(1)聚四氟乙烯分散液的配置：
将0.18g聚四氟乙烯纳米颗粒分散在5mln,n-二甲基甲酰胺溶剂中，并超声20～60min，得到聚四氟乙烯纳米颗粒的溶剂分散液。
(2)四氟乙烯/芳砜纶纺丝液的配置：
称取100g质量分数为12%的聚砜酰胺纺丝液，加入上述聚四氟乙烯纳米颗粒的溶剂分散液混合，用高剪切乳化分散机以20000r/min的速度对混合溶液搅拌30min，然后将混合溶液放入超声浴中脱泡120min，形成混合均匀的四氟乙烯/芳砜纶纺丝液。
(3)静电纺丝制备：
将上述的四氟乙烯/芳砜纶纺丝液缓慢注入注射料筒中，采用静电纺丝工艺，设置静电压为24kv，接收距离为10cm，灌注速度为0.3ml/h，接收装置转数为30r/min。静电场环境温度为25℃，湿度为30％。纺丝液被挤压出经过电场拉伸形成纳米纤维，最终在接收装置表面形成ptfe/芳砜纶纳米复合纤维膜。
上述制备的驻极体复合过滤材料经测定，纤维平均直径为220nm，纤维膜过滤效率为99.98%（过滤效率针对粒径大于0.3μm的粒子），压阻为19pa。
1.一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法，以芳砜纶（聚砜酰胺）为基体，其特征在于：在芳砜纶中添加聚四氟乙烯（ptfe）纳米颗粒，通过静电纺丝技术制备ptfe/芳砜纶纳米复合纤维膜，包括下述步骤：
1)将ptfe纳米颗粒分散在n,n-二甲基甲酰胺溶剂中，并超声20～60min，得到ptfe纳米颗粒的溶剂分散液；
2)在质量分数为10～17%的聚砜酰胺聚合物溶液中加入上述聚四氟乙烯纳米颗粒的溶剂分散液，并连续搅拌30～120min，再将溶液进行超声脱泡，超声时间为20～120min，形成聚四氟乙烯/芳砜纶纳米复合材料纺丝液，使ptfe纳米颗粒占纺丝液中的质量分数为0.1～2%；
3)将ptfe/芳砜纶纳米复合材料纺丝液均匀缓慢注入注射装置的料筒中，进行静电纺丝，注射装置在接收装置正上方竖直放，通过操作控制系统，将纺丝液从纺丝料筒中缓慢挤出，经过电场拉伸形成纳米纤维，最终在接收装置表面形成ptfe/芳砜纶纳米复合纤维膜，其中，所述静电纺丝工艺参数为：静电压为20～50kv，接收距离为10～20cm，灌注速度为0.2～0.8ml/h，接收装置为滚筒旋转接收，转数为20～50r/min，静电场环境温度为25～50℃，湿度为50％以下。
2.根据权利要求1所述的一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法，其特征在于：将0.12g～0.18g聚四氟乙烯纳米颗粒分散在5mln,n-二甲基甲酰胺溶剂中，并超声20～60min，得到ptfe纳米颗粒的溶剂分散液。
3.根据权利要求1或2所述的一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法，其特征在于：所述聚四氟乙烯纳米颗粒直径为100～150nm。
4.根据权利要求1所述的一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法，其特征在于：纺丝液中聚砜酰胺质量分数为12～14%。
5.根据权利要求1所述的一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法，其特征在于：纺丝前，在滚筒上平铺并固定一无纺布基材。
6.根据权利要求1所述的一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中，采用高剪切乳化分散机以20000r/min的速度对混合溶液搅拌30min，然后将混合溶液放入超声浴中脱泡120min，形成混合均匀的四氟乙烯/芳砜纶纺丝液。
7.根据权利要求1所述的一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中，静电纺丝工艺参数为：设置静电压为24kv，接收距离为10cm，灌注速度为0.3ml/h，滚筒转数为30r/min，静电场环境温度为25℃，湿度为30％。
8.一种静电纺芳砜纶驻极体复合过滤材料根据权利要求1至7任一项所述方法制备得到的。
技术总结