阅读说明：本技术 一种可重复水洗的复合空气滤料及其制备方法 (Composite air filter material capable of being washed repeatedly and preparation method thereof ) 是由 李婷婷 岑喜喜 林佳弘 楼静文 张莹 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可重复水洗的复合空气滤料及其制备方法,属于产业用纺织品领域,具体方法是：步骤1、将聚丙烯和聚碳酸酯干燥混合后通过单螺杆造粒机制备出双组分聚丙烯/聚碳酸酯混合母粒；步骤2、将步骤1制得的母粒吹至成聚丙烯-聚碳酸酯熔喷滤料(PPC)；步骤3、六水合硝酸锌、2-甲基咪唑和无水甲醇通过原位生长法将沸石咪唑酯骨架生长于步骤2所制得的PPC上,制得聚丙烯-聚碳酸酯/沸石咪唑酯骨架熔喷滤料(PPC/ZIF-8)；步骤4、将六水合硝酸锌、2-甲基咪唑和无水甲醇以9.08∶72.35∶6292.13的摩尔比制备成沸石咪唑酯骨架(ZIF-8)纳米晶体；步骤5、将含ZIF-8纳米晶体的聚偏氟乙烯纺丝液与步骤3所制得的PPC/ZIF-8滤料复合,制成可重复水洗的复合滤料(PPC/PVDF/ZIF-8)。本发明所制备的PPC/PVDF/ZIF-8空气滤料能在高效低阻的前提下有效增强过滤效率,且遇水后的PM<Sub>2.5</Sub>过滤性能稳定。(The invention discloses a composite air filter material capable of being repeatedly washed by water and a preparation method thereof, belonging to the field of industrial textiles and comprising the following specific steps: step 1, drying and mixing polypropylene and polycarbonate, and preparing a bi-component polypropylene/polycarbonate mixed master batch by a single-screw granulator; step 2, blowing the master batch prepared in the step 1 into polypropylene-polycarbonateMelt blown filter material (PPC); step 3, growing a zeolite imidazole ester framework on the PPC prepared in the step 2 by using zinc nitrate hexahydrate, 2-methylimidazole and anhydrous methanol through an in-situ growth method to prepare a polypropylene-polycarbonate/zeolite imidazole ester framework melt-blown filter material (PPC/ZIF-8); step 4, preparing zinc nitrate hexahydrate, 2-methylimidazole and anhydrous methanol into zeolite imidazolate framework (ZIF-8) nanocrystals according to a molar ratio of 9.08: 72.35: 6292.13; and 5, compounding the polyvinylidene fluoride spinning solution containing the ZIF-8 nanocrystals with the PPC/ZIF-8 filter material prepared in the step 3 to prepare the composite filter material (PPC/PVDF/ZIF-8) capable of being repeatedly washed by water. The PPC/PVDF/ZIF-8 air filter material prepared by the invention can effectively enhance the filtering efficiency on the premise of high efficiency and low resistance, and PM after meeting water 2.5 The filtering performance is stable.)

一种可重复水洗的复合空气滤料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及产业用纺织品领域，具体涉及聚丙烯-聚碳酸酯/聚偏氟乙烯/沸石咪唑酯骨架熔喷静电纺复合空气滤料及其制备方法，适用于空气过滤行业。

背景技术：

近年来，严峻的空气污染问题严重威胁着人类健康，尤其是空气中空气动力学直径小于或等于2.5μm的细颗粒物(PM_2.5)。目前，高效去除PM_2.5的空气纤维滤料主要有普通非织造纤维滤料、超细玻璃纤维滤料、静电纺纤维滤料和驻极纤维滤料。其中，驻极纤维滤料因可在有效提高过滤效率的同时不影响压降值，故受到了人们的广泛研究和应用。然而驻极纤维滤料虽较传统过滤材料在过滤性能上有明显改善，但电荷注入陷阱深度具有一定局限性，使得驻留在滤料上的电荷遇湿后会迅速散逸。因此，制备遇水后PM_2.5过滤性能稳定的高效低阻空气滤料成为了重要突破口。

采用静电纺丝工艺制备的滤料纤维直径一般在100-500nm之间，具有较大的比表面积、表面能及较小孔径，然而紧密的纤网结构会加大过滤压降值，不利于滤料佩戴时的舒适性。而采用熔喷工艺制备的纤维滤料具有孔隙率高、长过滤通道、低压降、高产量、高强度等优势，但纤维直径多为微米级尺度，纤维间孔径较大，难以实现对PM_2.5的高效过滤。因此，将熔喷与静电纺工艺相结合能有效发挥两者的性能优势。

沸石咪唑酯骨架(ZIF-8)是一种新兴的多孔杂化材料，具有高孔隙率、高耐水热性、高比表面积、高度可调节孔径等特点，在气体储存及分离、催化、电子、传感器和医药领域具有巨大的应用潜在。目前，有效将ZIF-8加载到支撑材料上的方法主要有四种，分别为机械法、粘合剂法、静电纺丝法和原位生长法。其中原位生长方法能有效保持ZIF-8的原始结构与活性，在发挥ZIF-8性能上具有优势。然而根据已有的研究发现采用常规的原位生长法制备的空气滤料虽能有效提高过滤效率但会大幅增加压降值，并且反应都需在高压釜中完成且不适宜大批量生产。

为解决目前空气滤料和常规ZIF-8原位生长方法的不足，本发明采用熔喷静电纺复合工艺和一种制备条件温和、适合大批量生产的ZIF-8原位生长法，使得所制备的PM_2.5空气滤料具备高效低阻、遇水后过滤性能稳定的优势。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种聚丙烯-聚碳酸酯/聚偏氟乙烯/沸石咪唑酯骨架熔喷静电纺复合空气滤料及其制备方法。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种聚丙烯-聚碳酸酯/聚偏氟乙烯/沸石咪唑酯骨架熔喷静电纺复合空气滤料的制备方法，其特点在于该方法包括如下步骤：

步骤1、将聚丙烯和聚碳酸酯聚合物以99％∶1％-93％∶7％的比例混合后制备出双组分聚丙烯/聚碳酸酯母粒；

步骤2、将步骤1所得到的聚丙烯/聚碳酸酯母粒先用鼓风干燥箱干燥，干燥温度50-80℃，干燥时间3-6h；采用单螺杆挤出机，在高温和螺杆的剪切力作用下，步骤1所得母粒充分熔融，依次经过管路、计量泵和模头，随后在热风管中的高速热空气作用下，聚合物从模头吹至带有吸风装置的收集网帘上；最后卷绕于卷布辊制成聚丙烯-聚碳酸酯熔喷滤料(PPC)；其中，热风空气温度200-240℃，计量泵流速30-60mL/min，空气压力0.015-0.05MPa，网帘收集速度35-50cm/min，卷布辊卷绕速度15-30cm/min。

步骤3、将六水合硝酸锌溶解于无水甲醇，随后将步骤2所制得的PPC滤料浸泡于六水合硝酸锌-甲醇的混合溶液中，确保滤料与溶液完全接触；将2-甲基咪唑溶解于无水甲醇中后，倒入浸泡有PPC滤料的六水合硝酸锌甲醇溶液中；充分反应后将PPC滤料取出，并用新鲜无水甲醇洗涤，干燥后制成聚丙烯-聚碳酸酯/沸石咪唑酯骨架熔喷滤料(PPC/ZIF-8)；其中，六水合硝酸锌、2-甲基咪唑、无水甲醇以1∶50-105∶800-9100摩尔比制成ZIF-8前驱体溶液；干燥温度50-80℃，干燥时间3-6h。

步骤4、在20-25℃温度下将六水合硝酸锌和2-甲基咪唑分别溶解于无水甲醇中；将含有2-甲基咪唑/无水甲醇混合溶液缓慢倒入含有六水合硝酸锌的甲醇溶液中；待静置后，将产物离心并用新鲜甲醇清洗，干燥制成沸石咪唑酯骨架(ZIF-8)纳米晶体；其中，静置时间12-24h；离心速度3500-8000rpm；

步骤5、将步骤4制得的ZIF-8纳米晶体与N，N-二甲基甲酰胺溶剂超声分散后，添加聚偏氟乙烯并在水浴锅中加热搅拌制成静电纺溶液；将步骤3所制得的PPC/ZIF-8熔喷滤料固定于静电纺设备的卷绕滚筒上；静电纺丝液注入双注射器中，并在正极高压电源下，将纺丝液纺丝于滤料表面制成聚丙烯-聚碳酸酯/聚偏氟乙烯/沸石咪唑酯骨架熔喷静电纺复合滤料(PPC/PVDF/ZIF-8)。沸石咪唑酯骨架、聚偏氟乙烯、N，N-二甲基甲酰胺以0-0.8∶0-7.2∶0-92的质量比制成静电纺丝液。

本发明解决所述材料技术问题的技术方案是，提供一种根据所述方法得到可重复水洗的复合空气滤料。其特征在于该滤料可高效低阻过滤空气中的PM_2.5，且遇水后PM_2.5过滤性能稳定。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本发明将熔喷与静电纺工艺相结合，所制备的PPC熔喷滤料有效发挥了两者的性能优势，达到高效低阻的初步目标。

(2)本发明采用聚丙烯-聚碳酸酯/聚偏氟乙烯/沸石咪唑酯为骨架结构制备复合滤料，显著提高遇水后的PM_2.5过滤稳定性能。

(3)本发明中采用的方法工艺简单、制备条件温和，适用于批量化生产。

附图说明

图1是本发明一种实施例的可重复水洗复合空气滤料(PPC/ZIF-8)的制备示意图；

图2是本发明一种实施例的沸石咪唑酯骨架(ZIF-8)纳米晶体制备示意图；

图3是本发明一种实施例的(a)聚丙烯-聚碳酸酯熔喷滤料和(b)聚丙烯-聚碳酸酯/沸石咪唑酯骨架熔喷滤料的纤维表面形貌图；

图4是本发明一种实施例的不同沸石咪唑酯骨架前驱体浓度下聚丙烯-聚碳酸酯/沸石咪唑酯骨架熔喷滤料(a)不同PM粒径下的过滤效率，(b)PM_2.5和PM₅过滤效率，(c)压降和(d)PM_2.5过滤品质因子图；

图5是本发明一种实施例的PPC/ZIF8-9熔喷滤料经过滤-洗涤-干燥循环后的(a)过滤效率、压降和(d)品质因子图；

图6是本发明一种实施例的可重复水洗复合滤料的(a)纤维表面形貌、(b)平均纤维直径和(c)纤维分布图；

图7是本发明一种实施例的聚丙烯-聚碳酸酯/聚偏氟乙烯/沸石咪唑酯骨架熔喷静电纺复合滤料的(a)PM_2.5过滤效率、(b)压降和(c)品质因子图；

图8是本发明一种实施例的PPC/PVDF/ZIF8-3熔喷静电纺复合滤料经过滤-洗涤-干燥循环后的(a)过滤效率、压降和(b)品质因子图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

具体实施例

本发明所要解决的技术问题是，发明一种可重复水洗的复合空气滤料的制备方法。

步骤1、将质量比为97∶3的聚丙烯与聚碳酸酯聚合物用鼓风干燥箱中分别干燥，聚丙烯的熔融指数和熔点分别为35g/10min和169℃，聚碳酸酯的熔融指数和熔点分别为14.4g/10min和250℃；干燥完成后，将聚碳酸酯与聚丙烯均匀混合并通过单螺杆造粒机造粒制备出双组分聚丙烯/聚碳酸酯母粒；

步骤2、将步骤1制得的聚丙烯/聚碳酸酯母粒用鼓风干燥箱干燥；待单螺杆熔喷设备达到预设温度并稳定后，倒入聚丙烯/聚碳酸酯母粒于熔喷设备进料筒，熔融的聚合物随后依次经过管路、计量泵和模头，随后在热风管中的高速热空气作用下，聚合物从模头吹至带有吸风装置的收集网帘上；最后卷绕于卷布辊制成聚丙烯-聚碳酸酯熔喷滤料(PPC)。

步骤3、将六水合硝酸锌在400-600r/min的搅拌速度下连续搅拌30-60min，使其完全溶解在无水甲醇中；将六水合硝酸锌/无水甲醇混合溶液倒入培养皿中，将步骤2所制备的PPC熔喷滤料完全浸泡于混合溶液中12-24h，确保熔喷滤料与溶液完全接触以在纤维表面牢固加载Zn²⁺离子；将2-甲基咪唑以400-600r/min的搅拌速度搅拌30-60min以完全溶解于无水甲醇中；将2-甲基咪唑/无水甲醇混合溶液缓慢倒入放置有PPC熔喷滤料的培养皿中，并与含有六水合硝酸锌的甲醇溶液充分反应1-2h，随着反应时间的增加，混合溶液逐渐变为乳白状；将反应后的PPC熔喷滤料从培养皿中取出，并用新鲜无水甲醇清洗8-10次以除去未反应的物质；最后，将生长有ZIF-8纳米晶体的聚丙烯-聚碳酸酯熔喷滤料在室温条件下干燥制成聚丙烯-聚碳酸酯/沸石咪唑酯骨架复合熔喷滤料(PPC/ZIF-8)。其中，六水合硝酸锌、2-甲基咪唑、无水甲醇以0-15∶0-105∶0-9100摩尔比制成ZIF-8前驱体浓度；

步骤4、在室温下将六水合硝酸锌和2-甲基咪唑分别通过400-600r/min搅拌速度持续搅拌30-60min以充分溶解于无水甲醇中；将含有2-甲基咪唑/无水甲醇混合溶液缓慢倒入含有六水合硝酸锌的甲醇溶液中，并在400-600r/min搅拌速度下搅拌3-4h，所有操作均在室温下进行；待静置12-24h后，将产物离心并用新鲜甲醇清洗3-5次，随后在真空干燥箱中干燥制成沸石咪唑酯骨架(ZIF-8)纳米晶体；其中，六水合硝酸锌、2-甲基咪唑和无水甲醇的摩尔比为9.08∶72.35∶6292.13。

步骤5、将步骤4所制备的沸石咪唑酯骨架与N，N-二甲基甲酰胺溶剂超声分散2-3h；在沸石咪唑酯骨架/N，N-二甲基甲酰胺溶剂中添加聚偏氟乙烯并在水浴锅中加热搅拌6-8h制成静电纺溶液；将步骤3制备的PPC/ZIF-8熔喷滤料固定于静电纺设备的卷绕滚筒上；将纺丝液注入双注射器中，并以23-25kV的正极高压电源、155-160cm的移动距离、0.8-0-9mm/l的注射泵速率将纺丝液负载于含有ZIF-8纳米晶体的熔喷滤料表面，制备成聚丙烯-聚碳酸酯/聚偏氟乙烯/沸石咪唑酯骨架熔喷静电纺复合滤料(PPC/PVDF/ZIF-8)。其中，沸石咪唑酯骨架、聚偏氟乙烯、N，N-二甲基甲酰胺以0-0.8∶0-7.2∶0-92的质量比制成静电纺丝液。