PVDF/离子液体/PSU高效低阻过滤膜及其制备方法与流程

本发明属于材料技术领域，尤其涉及一种pvdf/离子液体/psu高效低阻过滤膜及其制备方法。

背景技术：

近年来，空气污染对人类身体健康的危害不断加剧，开发高效低阻且效果耐久的空气过滤材料很有必要。同时随着人们环保和健康意识的不断提高，微生物病原菌的抑制和杀灭显得尤为重要。现有的高效空气过滤技术主要包括静电集尘式过滤技术、静电增强纤维过滤技术、拉伸膜过滤技术、纤维过滤技术等，其中纤维过滤技术因其具有过滤性能好、环境适应性强等优点，成为当前的主流空气过滤技术。纤维类空气过滤材料主要有普通非织造纤维、熔喷驻极纤维、超细玻璃纤维，其中普通非织造纤维材料直径粗、孔径大，对细微颗粒物的过滤精度难以保证；熔喷驻极纤维材料依靠库仑力对颗粒产生静电吸附作用，可在不增加材料压阻的同时提升过滤效率，但其存在驻极效果易衰减、过滤效率稳定性差的致命缺陷；超细玻璃纤维材料直径细、结构致密，由此可带来高过滤效率的优点，但其致密的堆积结构同时也导致空气阻力较大。

近年来，科研人员发现利用静电纺丝技术制备的纳米纤维材料具有直径细、孔径小、孔隙率高的结构特征，从而可在保证对细微颗粒物高效过滤的同时为气流提供丰富的通道，有望成为一种理想的高效低阻空气过滤材料。由于材料在服役过程中其内部沉积的污染物颗粒会不断增加，纤维表面包覆的颗粒会屏蔽过滤材料静电吸附作用，导致其性能大幅降低。

所以，目前的静电纺纳米纤维膜材料虽然可以达到较高的过滤效率，但是阻力压降仍然较高，难以满足当前对高效低阻空气过滤材料的需求，如何在保持高效率的同时，实现阻力压降的进一步降低，是静电纺丝纳米纤维应用于整个空气过滤材料领域的需解决的问题。另外，静电纺纳米纤维虽然可以实现对颗粒物的过滤，如何得到压电性能较好且孔洞均一度高的纤维，对于提高过滤性能有很大影响。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明公开了一种pvdf/离子液体/psu高效低阻过滤膜及其制备方法，提高了过滤性能。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种pvdf/离子液体/psu高效低阻过滤膜的制备方法，其包括以下步骤：

步骤s1，分别配置pvdf溶液和psu溶液，并在pvdf溶液中加入离子液体amimcl进行混合，得到pvdf混合纺丝液；

步骤s2，在接收板上放置一层滤布作为支撑材料，将pvdf混合纺丝液和psu溶液分别注入静电纺丝针头进行分别或同时纺丝，得到pvdf/离子液体/psu高效低阻过滤膜。

本身pvdf具有压电性能，可以依靠静电效应对微小颗粒进行拦截吸附，在不明显增加过滤阻力的前提下有效提高材料过滤效率；静电纺纳米纤维非织造材料具有小孔隙特征，且具有比表面积高，纤维均一性好等优点，其本身的筛滤作用就可以使过滤效率达到90%及以上。

采用此技术方案，采用静电纺丝工艺制备得到的纤维粗细均一，孔隙均匀致密，比表面积高；而pvdf材料本身具有压电性能，可以在纺丝过程中对每根纤维进行充电驻极，使大量空间电荷被捕获在纤维表面；得到的过滤膜兼具驻极过滤以及拦截过滤等多重过滤效果。引入离子液体实现对pvdf纤维规整度修饰；引入psu，因为pvdf纤维和psu纤维的直径不同，从而增大过滤效率，并使压阻降低。

作为本发明的进一步改进，步骤s2中，pvdf混合纺丝液和psu溶液的体积比为1:2~6。

作为本发明的进一步改进，pvdf混合纺丝液和psu溶液的体积比为1:4。

作为本发明的进一步改进，步骤s2中，将1支注射器吸取pvdf混合纺丝液，另外取4支注射器吸取psu溶液，分别或同时进行静电纺丝。

作为本发明的进一步改进，步骤s1中，pvdf溶液中，pvdf的质量百分比为10~20%。进一步的，所述pvdf的质量百分比为15%。

作为本发明的进一步改进，步骤s1中，制备pvdf混合纺丝液中，离子液体的体积分数为pvdf溶液体积的5~15%。进一步的，离子液体的体积为pvdf溶液体积的10%。

进一步的，步骤s1中，pvdf混合纺丝液中，离子液体amimcl占pvdf混合纺丝的质量百分比为2%。

作为本发明的进一步改进，步骤s1中，psu溶液中，psu的质量百分比为20~30%；进一步的，psu的质量百分比为25%。

作为本发明的进一步改进，步骤s1中，pvdf溶液的配置方法为：将pvdf溶解于dmf/丙酮混合溶剂中得到；dmf/丙酮混合溶剂中dmf、丙酮的体积比为6~8：2~4；进一步的，dmf/丙酮混合溶剂中dmf、丙酮的体积比为7：3。

作为本发明的进一步改进，pvdf混合纺丝液的配置方法为：在75~85℃油浴中，将离子液体加入到pvdf溶液中搅拌混合，并进行超声振荡，得到混合均匀的纺丝液。

作为本发明的进一步改进，静电纺丝的工艺条件为：注射速度为0.2-1.0ml/h，电压为6~12kv，纺丝距离12~18cm。

作为本发明的进一步改进，静电纺丝的工艺条件为：注射速度为0.8ml/h，电压为12kv，纺丝距离15cm。

本发明还公开了一种pvdf/离子液体/psu高效低阻过滤膜，其采用如上任意一项所述的pvdf/离子液体/psu高效低阻过滤膜的制备方法制备得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，静电纺pvdf纳米纤维驻极体材料由于材料压电特性可以在纺丝过程中对每根纤维进行充电驻极，使大量空间电荷被捕获在纤维表面。引入离子液体实现对pvdf纤维规整度修饰，得到尺寸分布均一的纤维膜，同时加入的离子液体会在电场极化条件下对纤维进行进一步拉伸得到极化度以及压电性能更好的静电纺丝膜，由此兼具驻极过滤以及拦截过滤等多重过滤效果。另外，随着psu的增引入，滤膜过滤效率增大。这是因为pvdf纤维直径细，可减小纤维膜孔径；psu纤维直径较粗，可降低纤维膜的堆积密度，延长固体颗粒物在膜中停留的时间，增加对颗粒的捕捉率，故过滤效率增加。同时psu纤维持续增多时，直径粗的纤维比例增加，使孔径增大，气流更易通过，从而使压阻降低。

附图说明

图1是本发明一种实施例的静电纺丝的装置结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

一种pvdf/离子液体/psu高效低阻过滤膜，其采用以下步骤制备得到：

步骤s1，分别配置pvdf溶液和psu溶液，并在pvdf溶液中加入离子液体amimcl进行混合，得到pvdf混合纺丝液，具体为：

将一定质量的pvdf粒子溶解于dmf/丙酮体积比为7/3的混合溶剂中，其中pvdf的质量百分比为10~20%，优选的，pvdf的质量分数为15%，在80℃油浴中并搅拌2h后加入离子液体[amim][cl](离子液体占pvdf混合纺丝液的质量百分比2%)至混合液，放置于超声振荡仪处理直至形成均一透明的溶液获得初始纺丝液。其中，离子液体的体积分数为pvdf溶液体积的5~15%。

将一定质量的psu溶解于dmf溶剂中配制成均一溶液备用，其中psu的质量分数为25%。

步骤s2，如图1所示，将上述溶液进行静电纺丝：

在接收板上放置一层滤布作为支撑材料，将pvdf混合纺丝液和psu溶液分别注入静电纺丝针头，调节注射速度至0.8ml/h，并调试电压直至12kv，看到连续稳定射流从针头喷出落于接收板上，进行分层纺丝。按照纺丝条件，通过分配纺丝时间来调控层合的比例。pvdf混合纺丝液和psu溶液的体积比为1:2~6。

优选的，用1支注射器吸取15%的pvdf溶液5ml，再用4支一次性注射器分别吸取25%的psu溶液5ml备用。纺丝时间共60min，其中pvdf与psu的纺丝时间比例为12/48min。最后得到pvdf/离子液体/psu高效低阻过滤膜。

也可以先用pvdf溶液进行纺丝，纺丝时间为12分钟，然后用psu溶液进行纺丝，纺丝时间为48分钟。

步骤s2中，纺丝工艺参数中，当电压低于5kv和高于15kv的情况下，均无法形成泰勒锥，故在电压值为5kv-15kv区间调控，固定注射速度为0.8ml/h时观察发现，电压在5kv时纤维不连续有液滴出现，说明电场强度过低，没有使纤维充分拉伸；当电压为15kv时，形成的纤维过粗，主要由于电场强度过大形成扰流使得纤维更粗糙。控制电压在12kv，调整流速为0.2-1.0ml/h，当流速过低时无法形成连续射流，而到了高流速时，纤维尺寸不均一，这是由于注射速度过快导致溶剂来不及挥发。所以得到最后的纺丝工艺条件为：注射速度为0.8ml/h，电压为12kv，纺丝距离15cm。

将上述制备得到的过滤膜用于制作成1170*1170过滤器，折高为75mm，齿距10cm，30折，经过测试，在2000m³/h的风量下初阻力为60pa，过滤效率为99.99978%。另外，同样的测试条件，经过测试当pvdf/psu纺丝液体积比例为1：4时，得到的滤纸制备出的相同规格过滤器效率最高，阻力最低，分别为60pa和99.99978%。当pvdf/psu纺丝液体积比例为1：3或1:5时，阻力高于60pa，效率低于99.99978%。

当离子液体体积分数为pvdf溶液的1/10时，制得的滤膜表面呈现出直径为纳米的纤维网状结构，而当离子液体体积分数较高时，由于离子液体收到电场作用力太强导致纺丝液不能形成连续稳定的泰勒锥，无法纺出稳定的纤维。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。