一種具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新型過濾纖維，具有過濾及吸附雙功能，具體是具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維，屬于材料、化學與化工技術領域。
【背景技術】
[0002]活性碳纖維具有孔徑小且分布窄、吸附速度快、吸附量大、容易再生等特點，在使用過程中產生的微粉塵少，可制成紗、線、織物、氈等多種形態的制品，使用時更加靈活方便。由活性碳纖維制成的過濾材料具有較強的吸附作用，尤其是對有機氣體、各種有害惡臭的物質和粉塵等的吸附。此外，由于其具有耐酸、堿、耐高溫，電導性與化學穩定性好等特點，不僅在凈化空氣方面具有顯著成效，而且在液體凈化、液體吸附處理、溶劑回收、功能電極材料等方面已得到成功應用。
[0003]靜電紡絲技術將高分子流體靜電霧化，形成聚合物微小射流，運行一定的距離后，最終固化成纖維。是制備納米或微米聚合物纖維的方法，該方法得到的纖維膜比表面積大、孔隙率高、空洞連通性好等特點，在很多領域都具有很好的應用前景。也可以通過設計不同的接收裝置直接得到有序排列的、十字交叉排列的纖維及紗線聚集體。比較普遍的是紗線聚集體，其無規則交錯的結構可以過濾大氣中的細小顆粒物，因而靜電紡絲纖維制成的過濾材料可以過濾大氣細顆粒物。制成的靜電紡絲纖維膜在增強復合材料、過濾分離、組織工程、藥物傳輸、生物催化等領域有著潛在的應用前景。
[0004]環境問題日益嚴重，大氣細顆粒物和有害氣體對人們身體健康的危害極為嚴重。而市場上現有的活性碳纖維雖然具有較強的吸附作用，但對細小顆粒的過濾效果較差。國外市場上的部分防護用品防塵效果較好，但透氣、透濕性能卻有待提高；國內的產品缺乏自主研發的有效過濾材料，過濾細顆粒物的效果不及國外，且大部分產品功能單一。所以，目前市場上用于過濾的纖維材料并不能很好地解決人們現在所面臨的問題。
【發明內容】
[0005]本發明是為了克服上述現有技術的不足，目的在于提供一種既可以過濾大氣細顆粒物PM2.5又能夠吸附常見揮發性有機污染物的雙功能仿生復合微納纖維材料及其制備方法，可將其應用到人們日常生活中的防護，如口罩、空氣凈化器等，避免對人體健康造成威脅。
[0006]在實驗過程中首先對無刺枸骨葉片表面結構和分泌物進行了探索和分析。通過光學顯微鏡觀察其表面基本結構，再用超景深三維顯微鏡和場發射掃描電子顯微鏡進行進一步觀察。發現葉片表面存在縱橫交錯的網狀結構，特別是在葉片較臟的地方，且多種不同儀器觀察發現結果基本相同，該結構也存在普遍性。結合實驗所得結果也證明無刺枸骨對大氣中的顆粒物有滯留作用，能力較強。如圖1、2為無刺枸骨葉片表面場發射掃描電鏡圖，圖3超景深三維顯微鏡所拍照片。
[0007]通過分析以上觀察結果可以看出其葉片表面上的帶狀結構與靜電紡絲所得纖維膜結構相似，都具有無規則性。也正是因為這種無規則的結構才更容易滯留大氣中的顆粒物，從而達到滯塵的效果。
[0008]本發明的目的可通過以下技術方案完成:
[0009]—種具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維，其特征是:以活性碳纖維為基本骨架，在活性碳纖維上通過靜電紡絲技術將紡絲溶液的紡絲纖維復合在其表面，制得克重為10-100g/m2紡絲纖維層，整個復合微納纖維的克重為70-340g/m2。
[0010]所述活性碳纖維種類是酚醛基活性碳纖維、PAN基活性碳纖維、粘膠基活性碳纖維或瀝青基活性碳纖維，纖維產品形式是活性碳纖維布和/或活性碳纖維氈，比表面積為600-3000m2/g，克重為 60_240g/m2。
[0011]所述復合微納纖維過濾直徑為0.5-2.0 μ m的顆粒物。
[0012]所述復合微納纖維對常見揮發性有機污染物的最大吸附飽和量達到30g/m2。
[0013]所述復合微納纖維的每平方米透氣量達到610L/s。
[0014]所述復合微納纖維的透濕率達到230g/m2.h。
[0015]—種具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維的制備方法:將配制好的紡絲溶液加入靜電紡絲設備的儲罐中，通過注射栗和導管鏈接連接到噴頭，噴頭接上高壓電場；將活性碳纖維布和/或活性碳纖維氈作為接收部分并接地；打開電源，控制紡絲時間，得到仿生復合微納纖維材料。
[0016]所述靜電紡絲過程中高壓電源電壓設置為10-25KV，噴頭到接收平面的距離為10-20cm，注射栗設置紡絲流量為0.5-2.0mL/h，紡絲時間可以是0.5-4.0h。
[0017]在靜電紡絲過程中，配制濃度為5% -20%的紡絲溶液時，所用紡絲溶液溶質是聚丙烯腈，聚酰亞胺，聚苯乙烯，聚乙烯醇，聚乙二醇，聚乳酸，聚苯并咪唑，間亞苯基間苯二酰胺，聚對苯二甲酸對苯二胺或聚乙烯醇吡咯烷酮中的一種或幾種；紡絲溶液溶劑是水，硫酸，間甲酚，二氯甲烷，二甲基乙酰胺，二甲基亞砜，N-二甲基吡咯烷酮或N，N-二甲基甲酰胺中的一種或幾種。
[0018]該復合微納纖維經測試，在350Pa壓差下，每平方米透氣量平均最高可達610L/s ;透濕lh，透濕率最高可達230g/m2.h ;吸附常見揮發性有機污染物的最大吸附飽和量為30g/m2;過濾直徑為0.5-2.0 μ m的顆粒物的效率達99.99%。
[0019]本發明的啟發來自大自然，利用靜電紡絲技術結合仿生原理，對無刺枸骨具有滯塵能力從結構進行仿生，并且能達到過濾大氣細顆粒物PM2.5和吸附常見揮發性有機污染物的雙重功能仿生復合微納纖維。可用于口罩、空氣凈化器等人們日常生活中的防護，為人們的健康提供一定的可靠的保障。所以，一種具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維與目前市場上現有的產品相比較具有以下優勢:
[0020]I)本發明提供的制備具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維的方法，制備的仿生復合微納纖維材料可運用到日常生活中的防護，如口罩，可彌補目前市場上產品作用的單一性，產品性能較差的不足；
[0021]2)本發明提供的制備具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維的方法，其思路源于自然，結合了植物原理效果顯著，綠色環保；
[0022]3)本發明提供的制備具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維的方法，制備的仿生復合微納纖維材料具有較好的透氣性和透濕性，實用性強；
[0023]4)本發明提供的制備具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維的方法，制備的仿生復合微納纖維材料具有良好的吸附性能和過濾效果，可被廣泛用作各種過濾器及防護用品的過濾材料；
【附圖說明】
[0024]圖1是無刺枸骨葉片表面場發射掃描電鏡圖，放大倍數為1000。
[0025]圖2是無刺枸骨葉片表面場發射掃描電鏡圖，放大倍數為1500。
[0026]圖3是無刺枸骨葉片表面帶狀結構的局部放大超景深三維顯微三維照片。
[0027]圖4是過濾測試2 μ m顆粒物的視圖。
[0028]圖5是過濾測試0.5 μ m顆粒物的視圖。
【具體實施方式】
[0029]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0030]一種具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維，以活性碳纖維為基本骨架，利用靜電紡絲技術結合仿生原理，將活性碳纖維和靜電紡絲纖維進行復合，制得的仿生復合微納纖維不僅具有過濾大氣細顆粒PM2.5的功能，而且具有吸附大氣中常見揮發性有機污染物的作用。實驗中通過對無刺枸骨葉片表面結構探索和分析，結合仿生學原理制備一種具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維。
[0031]—種具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維，它是以活性碳纖維為基本骨架，在活性碳纖維上通過靜電紡絲技術將紡絲溶液的紡絲纖維復合在其表面，制得克重為10-100g/m2紡絲纖維層，整個復合微納纖維的克重為70-340g/m2。所述活性碳纖維種類是酚醛基活性碳纖維、PAN基活性碳纖維、粘膠基活性碳纖維或瀝青基活性碳纖維，纖維產品形式是活性碳纖維布和/或活性碳纖維氈，比表面積為600-3000m2/g，克重為60_240g/m2。
[0032]本發明所述復合微納纖維過濾直徑為0.5-2.0 μm的顆粒物。所述復合微納纖維對常見揮發性有機污染物的最大吸附飽和量達到30g/m2。所述復合微納纖維的每平方米透氣量達到610L/s。所述復合微納纖維的透濕率達到230g/m2.h。
[0033]—種具有過濾及吸附雙重功能的仿生復合微納纖維的制備方法:將配制好的紡絲溶液加入靜電紡絲設備的儲罐中，通過注射栗和導管鏈接連接到噴頭，噴頭接上高壓電場；將活性碳纖維布和/或活性碳纖維氈作為接收部分并接地；打開電源，控制紡絲時間，得到仿生復合微納纖維材料。
[0034]所述靜電紡絲過程中高壓電源電壓設置為10-25KV，噴頭到接收平面的距離為10-20cm，注射栗設置紡絲流量為0.5-2.0mL/h，紡絲時間可以是0.5-4.0h。
[0035]在靜