一种复合过滤纤维材料及其制备方法和应用 |
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| 申请号 | CN202311660694.7 | 申请日 | 2023-12-05 | 公开(公告)号 | CN117732158A | 公开(公告)日 | 2024-03-22 |
| 申请人 | 松山湖材料实验室; 杭州交子茶业有限公司; | 发明人 | 田恩泽; 刘骏; 刘科海; 陈镔; 刘开辉; 王恩哥; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于过滤材料技术领域，具体涉及一种复合过滤 纤维 材料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法原位生长在过滤纤维上的聚多巴胺具有一定量的 氨 基，同时，通过 水 热法将GO和TiO2键合，最后GO上的羧基和多巴胺上的氨基进行键合反应，合成的酰胺基将GO和聚多巴胺连接，得到PDA‑GO‑TiO2的复合结构，其中， 氧 化 石墨 烯纳米片的高介电性能提高过滤纤维的过滤效率，与其匹配的二氧化 钛 填料的量子隧穿效应导走积聚的电荷，避免长期使用中形成的静电屏蔽，提高过滤滤材的长效性，从而实现长效，高效低阻的过滤颗粒物的目的。同时，相比传统的单纯的机械负载方法更牢固，氧化 石墨烯 纳米片和二氧化钛粒子不容易脱落。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种复合过滤纤维材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种复合过滤纤维材料及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明属于过滤材料技术领域，具体涉及一种复合过滤纤维材料及其制备方法和应用。 背景技术[0002] 粗效过滤纤维结合静电增强技术已被广泛应用于颗粒物过滤领域。通过在纤维上负载二维材料，能够有效提高纤维的介电常数从而提高静电增强过滤效率。但高介电性能的过滤纤维相对普通纤维在加电情况下更易形成静电积聚，在长期使用过程中，滤材表面电荷积累，即静电积聚，滤材表面因而形成静电屏蔽，导致过滤效率下降。另外，现有技术中还存在二维材料或其他功能材料负载不牢，容易脱落的问题。 发明内容[0004] 为此，本发明提供如下技术方案： [0005] 本发明提供一种复合过滤纤维材料的制备方法，包括如下步骤： [0006] S1，在过滤纤维上原位生长聚多巴胺，得到改性过滤材料； [0008] S3，将纳米复合材料与改性过滤材料进行反应，产物分离，得到复合过滤纤维材料。 [0010] 可选地，所述多巴胺盐酸盐与过滤纤维的质量比为1：2‑1：3； [0011] 和/或，所述自聚合反应在搅拌下进行，反应时间为12h以上；可选地，反应时间为12‑24h。 [0012] 可选地，所述碱性溶液为pH值为8.0‑9.0的缓冲溶液； [0013] 和/或，将过滤纤维浸入到碱性溶液中后，搅拌10分钟‑30分钟。 [0014] 可选地，步骤S2中，所述水热反应的温度为100‑120℃，反应时间为12‑24h。 [0015] 可选地，步骤S2中，二氧化钛与氧化石墨烯纳米片的质量比为100：1‑10：1； [0016] 和/或，氧化石墨烯纳米片与过滤纤维的质量比为1:100‑1:10000。 [0017] 可选地，步骤S3中，反应温度为50‑60℃，反应时间为2‑24h； [0018] 和/或，产物分离后还包括清洗和烘干的步骤；可选地，烘干温度在80℃以下。 [0021] 和/或，所述二氧化钛的尺寸为5‑100nm，所述氧化石墨烯纳米片的尺寸为100‑1000nm。 [0022] 本发明还提供一种复合过滤纤维材料，由上述的制备方法制备得到。 [0024] 本发明中，所述过滤纤维可以通过市售渠道获得，也可以自制，具体可由熔喷或静电纺丝制成，其具体制备方法和参数为领域内常规的，在此不做具体限定。 [0025] 本发明中，所述二维材料可以通过市售渠道获得，也可以通过自制得到，在此不做具体限定。 [0027] 1)利用多巴胺盐酸盐原位生长的方法在过滤纤维上聚合负载PDA(聚多巴胺)[0028] 1‑1)所述过滤材料由熔喷或静电纺丝制成，在1m/s的过滤风速下，单位毫米的阻力小于500Pa。由芳纶、PET、聚烯烃等高分子材料，或活性炭、玻璃纤维等材料构成； [0029] 1‑2)将过滤材料浸没到由Tris盐酸缓冲液调配的pH值为(8.0‑9.0)的缓冲溶液中，搅拌10‑30分钟，给低阻力、高孔隙的多孔材料营造碱性环境，以便于多巴胺材料的聚合负载。 [0030] 2)接着在上述溶液中加入多巴胺盐酸盐，充分搅拌混合12小时以上，得到由聚多巴胺改性的过滤材料； [0031] 多巴胺盐酸盐的质量与过滤材料的质量比为1：2到1：3之间。 [0032] 3)通过水热合成反应得到TiO2‑GO纳米复合材料 [0033] 3‑1)所述TiO2的尺寸为5‑100nm，所述GO纳米片的尺寸为100‑1000nm，GO自身带有较多羧基官能团； [0035] 3‑3)在上述溶液中加入TiO2颗粒，TiO2和GO纳米片的质量比为100:1‑10:1； [0036] 3‑4)将上述混合溶液的均匀悬浮液加入到水热合成反应釜中100‑120℃高温加热12‑24h； [0037] 3‑5)待冷却至室温后，将悬浮液过滤和用去离子水洗涤数次后，并进一步在60℃烘干，得到的产物即为TiO2‑GO复合纳米材料； [0038] 4)将得到的TiO2‑GO复合纳米材料加入到上述聚多巴胺改性的过滤材料的混合液中，并加热到50‑60℃，GO上的羧基和聚多巴胺上的氨基在弱碱性条件下进行酰胺化反应2‑24h，使得TiO2‑GO接枝在过滤纤维‑PDA上； [0039] 5)将上述材料取出清洗至无明显杂质脱落即可，随后干燥； [0040] 6)干燥温度低于80℃，防止过高温度破坏聚合上的聚多巴胺； [0041] 7)烘干后得到过滤材料‑PDA‑GO‑TiO2复合材料。 [0042] 本发明技术方案，具有如下优点： [0043] 本发明提供的复合过滤纤维材料的制备方法，包括如下步骤：S1，在过滤纤维上原位生长聚多巴胺，得到改性过滤材料；S2，将二氧化钛与氧化石墨烯纳米片混合，进行水热反应，得到纳米复合材料；S3，将纳米复合材料与改性过滤材料进行反应，产物分离，得到复合过滤纤维材料。本发明提供的制备方法原位生长在过滤纤维上的聚多巴胺具有一定量的氨基，同时，通过水热法将GO和TiO2键合，最后GO上的羧基和多巴胺上的氨基进行键合反应，合成的酰胺基将GO和聚多巴胺连接，得到PDA‑GO‑TiO2的复合结构，其中，氧化石墨烯纳米片的高介电性能提高过滤纤维的过滤效率，与其匹配的半导体二氧化钛填料的量子隧穿效应导走积聚的电荷，避免长期使用中形成的静电屏蔽，提高过滤滤材的长效性，从而实现长效，高效低阻的过滤颗粒物的目的。同时，相比传统的单纯的机械负载方法更牢固，氧化石墨烯纳米片和二氧化钛粒子不容易脱落。 [0045] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0047] 图2是本发明测试例中静电增强过滤测试设备的结构示意图； [0048] 附图标记： [0049] 1、过滤管道；2、过滤前测试口；3、多孔金属板；4、放电电源；5、放电针；6、极化电源；7、正极金属网；8、过滤材料；9、负极金属网；10、过滤后测试口。 具体实施方式[0050] 提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。 [0051] 实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。 [0052] 实施例1 [0053] 本实施例提供一种复合过滤纤维材料，其制备工艺流程如图1所示，制备方法和具体操作参数如下： [0054] 步骤(1)，采用熔喷方法制备材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯的过滤纤维，该过滤纤维的厚度为10mm，所述过滤纤维在1m/s的过滤风速下，单位毫米的阻力为1.5Pa； [0055] 步骤(2)，将过滤纤维浸没到由Tris盐酸缓冲液调配的pH值为8.0的缓冲溶液中，搅拌10分钟，给低阻力、高孔隙的过滤纤维营造碱性环境，以便于后续多巴胺材料的聚合负载； [0056] 步骤(3)，将多巴胺盐酸盐加入到上述缓冲溶液中搅拌混合12h进行聚合反应，得到聚多巴胺改性的过滤材料混合液，其中，多巴胺盐酸盐与过滤纤维的质量比为1：2； [0057] 步骤(4)，将GO纳米片(尺寸为900‑1000nm)加入到去离子水和乙醇的共混溶剂中分散均匀，GO纳米片的浓度为1mg/mL，去离子水和乙醇的体积比为2:1；GO纳米片与过滤纤维的质量比为1:100； [0058] 步骤(5)，在上述溶液中加入TiO2颗粒(尺寸为90‑100nm)，TiO2和GO纳米片的质量比为10:1；将上述混合溶液的均匀悬浮液加入到水热合成反应釜中100℃高温加热24h；待冷却至室温后，将悬浮液过滤和用去离子水洗涤数次后，并进一步在60℃烘干，得到的产物即为TiO2‑GO复合纳米材料； [0059] 步骤(6)，将得到的TiO2‑GO复合纳米材料加入到上述聚多巴胺改性的过滤材料的混合液中，并加热到50℃，GO上的羧基和聚多巴胺上的氨基在弱碱性条件下进行酰胺化反应24h，使得TiO2‑GO接枝在过滤纤维‑PDA上； [0060] 步骤(7)将上述材料取出清洗至无明显杂质脱落即可，随后干燥；干燥温度低于80℃，防止过高温度破坏聚合上的聚多巴胺；烘干后得到过滤材料‑PDA‑GO‑TiO2复合材料。 [0061] 实施例2 [0062] 本实施例提供一种复合过滤纤维材料，其制备方法和具体操作参数如下： [0063] 步骤(1)，采用熔喷方法制备材质为芳纶的过滤纤维，该过滤纤维的厚度为20mm，所述过滤纤维在1m/s的过滤风速下，单位毫米的阻力为1.0Pa； [0064] 步骤(2)，将过滤纤维浸没到由Tris盐酸缓冲液调配的pH值为9.0的缓冲溶液中，搅拌30分钟，给低阻力、高孔隙的过滤纤维营造碱性环境，以便于后续多巴胺材料的聚合负载； [0065] 步骤(3)，将多巴胺盐酸盐加入到上述缓冲溶液中搅拌混合24h进行聚合反应，得到聚多巴胺改性的过滤材料混合液；其中，多巴胺盐酸盐与过滤纤维的质量比为1：3； [0066] 步骤(4)，将GO纳米片(尺寸为100‑200nm)加入到去离子水和乙醇的共混溶剂中分散均匀，GO纳米片的浓度为0.1mg/mL，去离子水和乙醇的体积比为3:1；GO纳米片与过滤纤维的质量比为1:10000； [0067] 步骤(5)，在上述溶液中加入TiO2颗粒(尺寸为5‑10nm)，TiO2和GO纳米片的质量比为100:1；将上述混合溶液的均匀悬浮液加入到水热合成反应釜中120℃高温加热12h；待冷却至室温后，将悬浮液过滤和用去离子水洗涤数次后，并进一步在60℃烘干，得到的产物即为TiO2‑GO复合纳米材料； [0068] 步骤(6)，将得到的TiO2‑GO复合纳米材料加入到上述聚多巴胺改性的过滤材料的混合液中，并加热到60℃，GO上的羧基和聚多巴胺上的氨基在弱碱性条件下进行酰胺化反应2h，使得TiO2‑GO接枝在过滤纤维‑PDA上； [0069] 步骤(7)将上述材料取出清洗至无明显杂质脱落即可，随后干燥；干燥温度低于80℃，防止过高温度破坏聚合上的聚多巴胺；烘干后得到过滤材料‑PDA‑GO‑TiO2复合材料。 [0070] 实施例3 [0071] 本实施例提供一种复合过滤纤维材料，其制备方法和具体操作参数如下： [0072] 步骤(1)，采用静电纺丝方法制备材质为聚乳酸的过滤纤维，该过滤纤维的厚度为5mm，所述过滤纤维在1m/s的过滤风速下，单位毫米的阻力为3Pa； [0073] 步骤(2)，将过滤纤维浸没到由Tris盐酸缓冲液调配的pH值为8.8的缓冲溶液中，搅拌20分钟，给低阻力、高孔隙的过滤纤维营造碱性环境，以便于后续多巴胺材料的聚合负载； [0074] 步骤(3)，将多巴胺盐酸盐加入到上述缓冲溶液中搅拌混合18h进行聚合反应，得到聚多巴胺改性的过滤材料混合液；其中，多巴胺盐酸盐与过滤纤维的质量比为1：2.5； [0075] 步骤(4)，将GO纳米片(尺寸为500‑600nm)加入到去离子水和乙醇的共混溶剂中分散均匀，GO纳米片的浓度为0.6mg/mL，去离子水和乙醇的体积比为2.5:1；GO纳米片与过滤纤维的质量比为1:300； [0076] 步骤(5)，在上述溶液中加入TiO2颗粒(尺寸为50‑60nm)，TiO2和GO纳米片的质量比为50:1；将上述混合溶液的均匀悬浮液加入到水热合成反应釜中110℃高温加热20h；待冷却至室温后，将悬浮液过滤和用去离子水洗涤数次后，并进一步在60℃烘干，得到的产物即为TiO2‑GO复合纳米材料； [0077] 步骤(6)，将得到的TiO2‑GO复合纳米材料加入到上述聚多巴胺改性的过滤材料的混合液中，并加热到55℃，GO上的羧基和聚多巴胺上的氨基在弱碱性条件下进行酰胺化反应12h，使得TiO2‑GO接枝在过滤纤维‑PDA上； [0078] 步骤(7)将上述材料取出清洗至无明显杂质脱落即可，随后干燥；干燥温度低于80℃，防止过高温度破坏聚合上的聚多巴胺；烘干后得到过滤材料‑PDA‑GO‑TiO2复合材料。 [0079] 实施例4 [0080] 本实施例提供一种复合过滤纤维材料，其制备方法和具体操作参数如下： [0081] 步骤(1)，采用静电纺丝方法制备材质为聚乳酸的过滤纤维，该过滤纤维的厚度为5mm，所述过滤纤维在1m/s的过滤风速下，单位毫米的阻力为3Pa； [0082] 步骤(2)，将过滤纤维浸没到由Tris盐酸缓冲液调配的pH值为8.8的缓冲溶液中，搅拌20分钟，给低阻力、高孔隙的过滤纤维营造碱性环境，以便于后续多巴胺材料的聚合负载； [0083] 步骤(3)，将多巴胺盐酸盐加入到上述缓冲溶液中搅拌混合18h进行聚合反应，得到聚多巴胺改性的过滤材料混合液；其中，多巴胺盐酸盐与过滤纤维的质量比为1：2.5； [0084] 步骤(4)，将GO纳米片(尺寸为600‑700nm)加入到去离子水和乙醇的共混溶剂中分散均匀，GO纳米片的浓度为0.8mg/mL，去离子水和乙醇的体积比为2.4:1；GO纳米片与过滤纤维的质量比为1:300； [0085] 步骤(5)，在上述溶液中加入TiO2颗粒(尺寸为40‑50nm)，TiO2和GO纳米片的质量比为30:1；将上述混合溶液的均匀悬浮液加入到水热合成反应釜中115℃高温加热18h；待冷却至室温后，将悬浮液过滤和用去离子水洗涤数次后，并进一步在60℃烘干，得到的产物即为TiO2‑GO复合纳米材料； [0086] 步骤(6)，将得到的TiO2‑GO复合纳米材料加入到上述聚多巴胺改性的过滤材料的混合液中，并加热到58℃，GO上的羧基和聚多巴胺上的氨基在弱碱性条件下进行酰胺化反应18h，使得TiO2‑GO接枝在过滤纤维‑PDA上； [0087] 步骤(7)将上述材料取出清洗至无明显杂质脱落即可，随后干燥；干燥温度低于80℃，防止过高温度破坏聚合上的聚多巴胺；烘干后得到过滤材料‑PDA‑GO‑TiO2复合材料。 [0088] 对比例1 [0089] 本对比例提供一种复合过滤纤维材料，与实施例1相比，采用等质量的氧化石墨烯纳米片代替二氧化钛。 [0090] 对比例2 [0091] 本对比例提供一种复合过滤纤维材料，与实施例1相比，采用等质量的二氧化钛代替氧化石墨烯纳米片。 [0092] 对比例3 [0093] 本对比例提供一种复合过滤纤维材料，与实施例1相比，采用等质量的氧化锌代替二氧化钛。 [0094] 对比例4 [0095] 本对比例提供一种复合过滤纤维材料，与实施例1相比，不包括二氧化钛与氧化石墨烯纳米片进行水热反应的步骤，即不包括步骤(4)和步骤(5)，在步骤(3)将氧化石墨烯纳米片和二氧化钛与多巴胺盐酸盐一起加入进行反应。 [0096] 测试例 [0097] (1)将各实施例和对比例提供的复合过滤纤维材料进行过滤测试，具体测试方法如下： [0098] 采用如图2所示的静电增强过滤测试设备，其中，1为过滤管道，主要包括放电段(放电针5，多孔金属板3和放电电源4)、极化段(正极金属网7，过滤材料8，负极金属网9和极化电源6)以及两个测试口2(过滤前)和10(过滤后)。空气颗粒物(颗粒物含量约为10000个/L，颗粒物粒径约为0.3‑0.5μm)随气流的方向从左往右移动，在放电段被荷电，进一步移动到极化段时，被极化的滤网所捕获，从而颗粒物被截留下来。通过在2和10处分别测试过滤前后的颗粒物数量，从而得到过滤效率。如图所示设备，将目标测试过滤材料放置在8处，调节风机至目标风速(风速计测试风速)，测试过程中的放电电压：7kV；极化电压：20kV，利用压差计记录此时的过滤阻力。在2和10处利用颗粒物计数器分别测试过滤前后的颗粒物数量，得到测试效率。 [0099] 具体测试结果见下表： [0100] 表1 [0101] [0102] [0103] (2)负载牢固性测试 [0104] 将各实施例和对比例提供的复合过滤纤维材料，利用气枪以3m/s的风速从复合过滤纤维材料的一侧进行吹扫，并利用颗粒物计数器检测复合过滤纤维材料另一侧的颗粒物含量，通过颗粒物含量差异，表征是否负载牢固。另一侧颗粒物含量越多，则表明负载越不牢固。测试时环境中颗粒物的含量约为10000个/L，颗粒物粒径约为0.3‑0.5μm。具体测试结果见下表： [0105] 表2 [0106] 另一侧颗粒物含量(个/L)实施例1 10016 实施例2 10382 实施例3 10069 实施例4 10035 对比例1 10022 对比例2 13324 对比例3 13518 对比例4 11269 [0107] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。 |
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