一种聚酰亚胺超级空气滤片及其制备方法与流程

本发明涉及高分子材料领域，具体涉及到一种聚酰亚胺超级空气滤片。

背景技术：

pm2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物，被吸入人体后会直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，同时其会成为病毒和细菌的载体，引发呼吸道以及心血管病等方面的疾病。而随着城市空气污染的加剧，雾霾天气逐渐增多，如果不采取任何防护措施，将会吸入多种污染物，危害人们的身体健康。基于此防雾霾口罩以及空气过滤器成为了人们应对空气污染的必备用品。

作为防雾霾口罩以及空气过滤器中的核心部件，空气滤片结构由于没有统一的参数指标，其结构通常过于简单，绝大多数都是使用单一的无纺布、纱布、塑料网布等材质进行多层叠合制备制成，其织孔或网孔都较大，只能阻挡一些大颗粒悬浮物和烟尘，对于pm2.5的阻挡效果比较有限，且对于易于通过空气等媒介传播的传染性病菌和病毒也难以起到很好的隔离过滤效果。而且由于现有过滤片的材质大都为常规聚烯烃材料，其热稳定性、机械性能都均有待提高。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种聚酰亚胺超级空气滤片，其包括三层纤维复合结构，其中第一层厚度为10～50μm，其纤维直径为1～5μm；第二层厚度为5～10μm，其纤维直径为0.5～1.0μm。

作为一种优选的技术方案，所述聚酰亚胺超级空气滤片的第三层厚度为0.5～3μm，其纤维直径为0.05～0.5μm。

作为一种优选的技术方案，所述聚酰亚胺超级空气滤片的制备原料包括含苯二胺和含苯二酐。

作为一种优选的技术方案，所述含苯二胺选自二苯醚二胺、三苯二醚二胺、双酚a型二胺、对苯二胺、间苯二胺、苯并咪唑联苯二胺、联苯二胺中的一种或多种。

作为一种优选的技术方案，所述含苯二酐选自均苯四甲酸二酐、联苯二酐、二苯醚二酐、二苯酮二酐、三苯二醚二酐中的一种或多种。

本发明的第二个方面提供了如上所述的聚酰亚胺超级空气滤片的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备聚酰胺酸溶液：将等摩尔比例的含苯二酐和含苯二胺溶解在溶剂中形成聚酰胺酸溶液；所述溶剂选自dmac、dma、dmf、nmp中的一种或多种；

(2)制备三层非织造布：三组静电纺丝头按顺序排在一条线上，挤出电纺，电纺所形成的聚酰胺酸纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的三层复合结构的非织造布；

(3)后处理：将上述三层复合结构的非织造布经传送带导入高温炉在200～400c下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片。

作为一种优选的技术方案，所述三组静电纺丝头中第一组静电纺丝头的聚酰胺酸溶液质量浓度为15～25wt％，绝对粘度为3.0-8.0pa.s。

作为一种优选的技术方案，所述三组静电纺丝头中第二组静电纺丝头的聚酰胺酸溶液质量浓度为9～14wt％，绝对粘度为1.8～3.0pa.s。

作为一种优选的技术方案，所述三组静电纺丝头中第三组静电纺丝头的聚酰胺酸溶液质量浓度为3～8wt％，绝对粘度为0.6-1.4pa.s。

本发明的第三个方面提供了如上所述的聚酰亚胺超级空气滤片在防雾霾口罩中的应用。

本发明中所述的聚酰亚胺超级空气滤片具有优异的热稳定性和机械性能，具体的热分解温度大于500c；耐水蒸水煮；耐紫外辐射；高度绝缘；荷静电(静电压大于2000伏特)；孔隙率大于90％；功能层平均孔径小于0.3微米，85l/min空气流速下的压差小于250pa。此外，本发明中的超级空气滤片空气过滤效率对0.3微米以上粒径的颗粒的拦截率大于99.9％，远优于n95口罩对0.3微米颗粒95％拦截率的过滤效果。

附图说明

图1为本发明中聚酰亚胺超级空气滤片的制备工艺流程示意图。

具体实施方式

参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。

本发明的第一个方面提供了一种聚酰亚胺超级空气滤片，其包括三层纤维复合结构，其中第一层厚度为10～50μm，其纤维直径为1～5μm；第二层厚度为5～10μm，其纤维直径为0.5～1.0μm。

进一步的，所述聚酰亚胺超级空气滤片的第三层厚度为0.5～3μm，其纤维直径为0.05～0.5μm。

本发明中所述的第一层为较粗纤维强力支撑层，其中纤维直径在1-5微米之间，厚度在10-50微米之间；第二层为超细纤维功能支撑层，其纤维直径在0.5-1.0微米之间，厚度在5-10微米之间；第三层为纳米纤维过滤功能层，其纤维直径在0.05-0.5微米之间，厚度在0.5-3微米之间。

在一些实施方式中，所述聚酰亚胺超级空气滤片的制备原料包括含苯二胺和含苯二酐。

本发明中所述聚酰亚胺超级空气滤片的制备原料为将二胺和二酸/二酐在合适溶剂中溶解并反应之后形成一定质量浓度的聚酰胺酸溶液用于静电纺丝，制备本发明中的超级空气滤片。

在一些实施方式中，所述含苯二胺选自二苯醚二胺、三苯二醚二胺、双酚a型二胺、对苯二胺、间苯二胺、苯并咪唑联苯二胺、联苯二胺中的一种或多种。

进一步的，所述含苯二酐选自均苯四甲酸二酐、联苯二酐、二苯醚二酐、二苯酮二酐、三苯二醚二酐中的一种或多种。

聚酰亚胺大分子主链中有大量含氮五元杂环、苯环、醚键、羰基键以及酰胺键，其中的酰胺键尤为重要，而且芳环中的碳和氧以双键相连以及芳杂环的共轭效应，都有效地增强了结合能，当辐射线最用于聚酰亚胺纤维时，分子可吸收辐射远不足以打开分子链上的原子间共价键，正是由于这种分子结构的存在，使得聚酰亚胺纤维能够耐高辐射，耐高温、耐化学腐蚀，分子链不易断裂，具有较好的热稳定性和优良的机械力学性能，在原子能工业、空间环境、航空航天、国防建设、新型建筑、高速交通工具、海洋开发、体育器械、新能源、环境产业以及防护用具等领域具有良好的应用前景。

本发明的第二个方面提供了如上所述的聚酰亚胺超级空气滤片的制备方法，主要是将二胺和二酐在dmac、或dmf、或nmp溶剂中缩合形成聚酰胺酸溶液，经电纺丝形成相应的聚酰胺酸纤维后，经高温加热形成聚酰亚胺纤维。

具体的，其包括如下步骤：

(1)制备聚酰胺酸溶液：将等摩尔比例的含苯二酐和含苯二胺溶解在溶剂中形成聚酰胺酸溶液；

(2)制备三层非织造布：三组静电纺丝头按顺序排在一条线上，挤出电纺，电纺所形成的聚酰胺酸纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的三层复合结构的非织造布；

(3)后处理：将上述三层复合结构的非织造布经传送带导入高温炉在200～400c下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片。

本发明中对含苯二胺和含苯二酐的反应溶剂不做特殊限定，可以选用任何能够溶解含苯二酐和含苯二胺的溶剂，包括但不限于dmac、dma、dmf、nmp、dmso、三氯甲烷、二氯甲烷、甲苯等。

进一步的，所述溶剂选自dmac、dma、dmf、nmp中的一种或多种。

空气滤片的制备流程：三组静电纺丝头按顺序排在一条线上，第一组三头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度20％左右，绝对粘度3.0～8.0pa.s；第二组两头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度12％左右，绝对粘度1.8～3.0pa.s；第三组一头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度6％左右，绝对粘度0.6～1.4.电纺所形成的聚酰胺酸超细纤维或纳米纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的三层复合结构的非织造布，经传送带导入高温炉在200～400℃下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片。滤片的平面尺寸为120*150～200*250cm²。

在一些实施方式中，所述三组静电纺丝头中第一组静电纺丝头的聚酰胺酸溶液质量浓度为15～25wt％，绝对粘度为3.0～8.0pa.s；进一步的，第一组静电纺丝头的聚酰胺酸溶液质量浓度为20wt％，绝对粘度为3.0～8.0pa.s。

在一些实施方式中，所述三组静电纺丝头中第二组静电纺丝头的聚酰胺酸溶液质量浓度为9～14wt％，绝对粘度为1.8～3.0pa.s；进一步的，第二组静电纺丝头的聚酰胺酸溶液质量浓度为12wt％，绝对粘度为1.8～3.0pa.s。

在一些实施方式中，所述三组静电纺丝头中第三组静电纺丝头的聚酰胺酸溶液质量浓度为3～8wt％，绝对粘度为0.6-1.4pa.s；进一步的，第三组静电纺丝头的聚酰胺酸溶液质量浓度为6wt％，绝对粘度为0.6～1.4pa.s。

本发明的第三个方面提供了如上所述的聚酰亚胺超级空气滤片在防雾霾口罩中的应用。

本发明中将不同纤维尺寸的静电纺薄膜层按照特定直径尺寸的纤维，层叠设置，将较粗纤维层作为强力支撑层作为第一层，将功能超细纤维作为功能支撑层，然后在功能超细纤维上设置纳米纤维层，得到超级空气滤片，使得其对0.3微米以上粒径的颗粒的拦截率大于99.9％，远优于n95口罩对0.3微米颗粒95％拦截率的过滤效果，适用于各类微粒的过滤和防护。

实施例

实施例1：如图1所示，本实施例提供了一种聚酰亚胺超级空气滤片，其包括三层纤维复合结构，其中第一层厚度为25μm，其纤维直径为3μm；第二层厚度为8μm，其纤维直径为0.8μm；第三层厚度为1.5μm，其纤维直径为0.1μm。

上述聚酰亚胺超级过滤片的制备方法，包括如下步骤：将等摩尔的二苯酮二酐和苯并咪唑联苯二胺溶解在dmf中，制备不同质量浓度的聚酰胺酸溶液；然后将三组静电纺丝头按顺序排在一条线上，第一组三头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度20％左右，绝对粘度5.0pa.s；第二组两头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度12％左右，绝对粘度2.2pa.s；第三组一头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度6％左右，绝对粘度0.9pa.s。电纺所形成的聚酰胺酸超细纤维或纳米纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的三层复合结构的非织造布，经传送带导入高温炉在380℃下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片，分切滤片的平面尺寸为160*150cm²。

本实施例中的所述的聚酰亚胺超级空气滤片的热分解温度约548℃，耐水蒸水煮；耐紫外辐射；高度绝缘；荷静电(静电压大于2000伏特)；孔隙率约91％；功能层平均孔径约为0.3微米，85l/min空气流速下的压约为233pa，对0.3微米以上粒径的颗粒的拦截率大于99.9％。

实施例2：如图1所示，本实施例提供了一种聚酰亚胺超级空气滤片，其包括三层纤维复合结构，其中第一层厚度为30μm，其纤维直径为2.5μm；第二层厚度为8μm，其纤维直径为1.0μm；第三层厚度为2.0μm，其纤维直径为0.1μm。

上述聚酰亚胺超级过滤片的制备方法，包括如下步骤：将等摩尔的三苯二醚二酐和双酚a型二胺溶解在dmf中，制备不同质量浓度的聚酰胺酸溶液；然后将三组静电纺丝头按顺序排在一条线上，第一组三头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度20％左右，绝对粘度4.5pa.s；第二组两头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度12％左右，绝对粘度2.0pa.s；第三组一头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度6％左右，绝对粘度0.8pa.s。电纺所形成的聚酰胺酸超细纤维或纳米纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的三层复合结构的非织造布，经传送带导入高温炉在380℃下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片，分切滤片的平面尺寸为160*150cm²。

本实施例中的所述的聚酰亚胺超级空气滤片的热分解温度约544℃，耐水蒸水煮；耐紫外辐射；高度绝缘；荷静电(静电压大于2000伏特)；孔隙率约92％；功能层平均孔径约为0.25微米，85l/min空气流速下的压约为228pa，对0.3微米以上粒径的颗粒的拦截率大于99.9％。

实施例3：如图1所示，本实施例提供了一种聚酰亚胺超级空气滤片，其包括三层纤维复合结构，其中第一层厚度为25μm，其纤维直径为1.5μm；第二层厚度为8μm，其纤维直径为0.5μm；第三层厚度为1.5μm，其纤维直径为0.05μm。

上述聚酰亚胺超级过滤片的制备方法，包括如下步骤：将等摩尔的二苯酮二酐和苯并咪唑联苯二胺溶解在dmf中，制备不同质量浓度的聚酰胺酸溶液；然后将三组静电纺丝头按顺序排在一条线上，第一组三头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度17％左右，绝对粘度3.8pa.s；第二组两头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度10％左右，绝对粘度2.2pa.s；第三组一头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度6％左右，绝对粘度0.7pa.s。电纺所形成的聚酰胺酸超细纤维或纳米纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的三层复合结构的非织造布，经传送带导入高温炉在400℃下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片，分切滤片的平面尺寸为160*150cm²。

本实施例中的所述的聚酰亚胺超级空气滤片的热分解温度约542℃，耐水蒸水煮；耐紫外辐射；高度绝缘；荷静电(静电压大于2000伏特)；孔隙率约94％；功能层平均孔径约为0.2微米，85l/min空气流速下的压约为224pa，对0.3微米以上粒径的颗粒的拦截率大于99.9％。

实施例4：本实施例提供了一种聚酰亚胺超级空气滤片，其包括两层纤维复合结构，其中第一层厚度为25μm，其纤维直径为1.5μm；第二层厚度为8μm，其纤维直径为0.5μm。

上述聚酰亚胺超级过滤片的制备方法，包括如下步骤：将等摩尔的二苯酮二酐和苯并咪唑联苯二胺溶解在dmf中，制备不同质量浓度的聚酰胺酸溶液；然后将两组静电纺丝头按顺序排在一条线上，第一组三头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度17％左右，绝对粘度3.8pa.s；第二组两头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度10％左右，绝对粘度2.2pa.s。电纺所形成的聚酰胺酸超细纤维或纳米纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的两层复合结构的非织造布，经传送带导入高温炉在400℃下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片，分切滤片的平面尺寸为160*150cm²。

本实施例中的所述的聚酰亚胺超级空气滤片的热分解温度约543℃，耐水蒸水煮；耐紫外辐射；高度绝缘；荷静电(静电压大于2000伏特)；孔隙率约89％；功能层平均孔径约为0.35微米，85l/min空气流速下的压约为241pa，对0.3微米以上粒径的颗粒的拦截率约为90.5％。

实施例5：本实施例提供了一种聚酰亚胺超级空气滤片，其包括两层纤维复合结构，其中第一层厚度为25μm，其纤维直径为1.5μm；第二层厚度为1.5μm，其纤维直径为0.05μm。

上述聚酰亚胺超级过滤片的制备方法，包括如下步骤：将等摩尔的二苯酮二酐和苯并咪唑联苯二胺溶解在dmf中，制备不同质量浓度的聚酰胺酸溶液；然后将两组静电纺丝头按顺序排在一条线上，第一组三头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度17％左右，绝对粘度3.8pa.s；第二组一头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度6％左右，绝对粘度0.7pa.s。电纺所形成的聚酰胺酸超细纤维或纳米纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的两层复合结构的非织造布，经传送带导入高温炉在400℃下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片，分切滤片的平面尺寸为160*150cm²。

本实施例中的所述的聚酰亚胺超级空气滤片的热分解温度约542℃，耐水蒸水煮；耐紫外辐射；高度绝缘；荷静电(静电压大于2000伏特)；孔隙率约90％；功能层平均孔径约为0.2微米，85l/min空气流速下的压约为227pa，对0.3微米以上粒径的颗粒的拦截率大于93.8％。

实施例6：如图1所示，本实施例提供了一种聚酰亚胺超级空气滤片，其包括三层纤维复合结构，其中第一层厚度为25μm，其纤维直径为1.5μm；第二层厚度为8μm，其纤维直径为0.5μm；第三层厚度为25μm，其纤维直径为1.5μm。

上述聚酰亚胺超级过滤片的制备方法，包括如下步骤：将等摩尔的二苯酮二酐和苯并咪唑联苯二胺溶解在dmf中，制备不同质量浓度的聚酰胺酸溶液；然后将三组静电纺丝头按顺序排在一条线上，第一组三头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度17％左右，绝对粘度3.8pa.s；第二组两头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度10％左右，绝对粘度2.2pa.s；第三组一头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度17％左右，绝对粘度3.8pa.s。电纺所形成的聚酰胺酸超细纤维或纳米纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的三层复合结构的非织造布，经传送带导入高温炉在400℃下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片，分切滤片的平面尺寸为160*150cm²。

本实施例中的所述的聚酰亚胺超级空气滤片的热分解温度约545℃，耐水蒸水煮；耐紫外辐射；高度绝缘；荷静电(静电压大于2000伏特)；孔隙率约87％；功能层平均孔径约为0.2微米，85l/min空气流速下的压约为235pa，对0.3微米以上粒径的颗粒的拦截率大于92.2％。

实施例7：如图1所示，本实施例提供了一种聚酰亚胺超级空气滤片，其包括三层纤维复合结构，其中第一层厚度为25μm，其纤维直径为1.5μm；第二层厚度为8μm，其纤维直径为1.5μm；第三层厚度为1.5μm，其纤维直径为0.05μm。

上述聚酰亚胺超级过滤片的制备方法，包括如下步骤：将等摩尔的二苯酮二酐和苯并咪唑联苯二胺溶解在dmf中，制备不同质量浓度的聚酰胺酸溶液；然后将三组静电纺丝头按顺序排在一条线上，第一组三头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度17％左右，绝对粘度3.8pa.s；第二组两头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度17％左右，绝对粘度3.8pa.s；第三组一头，聚酰胺酸纺丝液的质量浓度6％左右，绝对粘度0.7pa.s。电纺所形成的聚酰胺酸超细纤维或纳米纤维依次分层落在钢质传送带上形成纤维直径不同的三层复合结构的非织造布，经传送带导入高温炉在400℃下亚胺化形成聚酰亚胺超级空气滤片，分切滤片的平面尺寸为160*150cm²。

本实施例中的所述的聚酰亚胺超级空气滤片的热分解温度约549℃，耐水蒸水煮；耐紫外辐射；高度绝缘；荷静电(静电压大于2000伏特)；孔隙率约88％；功能层平均孔径约为0.2微米，85l/min空气流速下的压约为231pa，对0.3微米以上粒径的颗粒的拦截率大于93.3％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或更改为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。