一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法

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一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法

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https://www.xjishu.com/zhuanli/63/202411386983.html

天津工业大学绍兴柯桥研究院最新研发了一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法。该技术通过静电纺丝技术制备串珠状聚酰胺酸（PAA）纳米纤维膜，并与沸石咪唑酯框架-8（ZIF-8）复合，形成多层结构材料。这种新材料不仅具有高过滤效率和低阻力的特点，还通过优化制备工艺降低了成本，提高了生产效率。

背景技术

随着工业化和城市化的快速发展，空气质量问题日益成为全球关注的焦点。空气中的细颗粒物（PM2.5）、病毒、细菌以及其他有害物质对人类健康和生态环境构成了严重威胁。为了应对这一挑战，开发高效且低阻力的空气过滤材料显得尤为重要。

传统过滤材料，如熔喷布和活性炭纤维，在制备口罩时主要面临空气流动阻力大的问题，这限制了它们在需要高流量空气净化的应用中的效能。因此，中国专利号202311394990.7开发了一种串珠状海藻酸钠（SA）纳米纤维膜，该专利通过创新的静电纺丝技术制备了串珠状海藻酸钠（SA）纳米纤维膜，解决了传统技术导致的高过滤阻力问题。通过精确配比和后续处理，实现了高效低阻的过滤性能。然而，单一材料可能仍不足以满足复杂环境下的过滤需求。

进一步，中国专利号202011125446.9制备了一种融合MOF材料结合聚丙烯腈（PAN）的先进口罩滤芯层制备技术。该专利融合了MOFs材料MIL-53（Fe）、纤维素和聚丙烯腈（PAN），制备出具有抗菌、高效过滤和自然降解功能的先进口罩滤芯层。尽管MIL-53（Fe）的结合带来了性能上的显著提升，但也存在一些缺点，包括制备过程的复杂性增加，成本上升，以及在确保MOFs与纳米纤维均匀分散和稳定结合方面的技术挑战。此外，规模化生产时保持成本效益和生产效率也是一个需要解决的问题。

在此基础上，本专利通过多层结构设计，实现了更优的过滤效率与更低的气流阻力，解决了传统材料和单一静电纺纳米纤维膜在高流量应用中的局限性。同时，保持了MOFs材料的高吸附性能和催化特性，还通过优化的制备工艺降低了成本并提高了生产效率，同时确保了材料的均匀分散和稳定性，为口罩滤芯材料的规模化生产和应用提供了切实可行的解决方案。

技术实现思路

本发明提供了一种高效低阻的静电纺多层过滤材料及制备方法，用于口罩滤芯。通过将ODA和PMDA溶解制备第一PAA溶液，形成串珠状PAA纳米纤维膜，再与ZIF-8混合形成第二PAA/ZIF-8溶液，叠加并热处理，制得多层结构材料。该材料具有高过滤效率、低阻力和优异机械性能，简化的制备工艺使其在空气净化领域具有广泛应用潜力。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法，包括以下步骤：

串珠状PAA纳米纤维膜制备：通过混合溶解ODA和PMDA原料于溶剂中制备第一PAA溶液，再利用静电纺丝技术制成串珠状PAA纳米纤维膜，为制备多层复合过滤材料奠定基础；
ZIF-8粉末合成：通过将六水合硝酸锌和2-甲基咪唑分别溶解在适宜溶剂中，混合、超声处理20min并室温静置，随后进行离心和无水甲醇清洗干燥，最终得到白色粉末状的ZIF-8；
第二PAA/ZIF-8纳米纤维层制备：将ZIF-8粉末溶解在溶剂中制成第二溶液。随后，ODA加入并溶解，再与PMDA粉末反应形成稳定的PAA/ZIF-8前驱体溶液，该溶液经6h静置后用于静电纺丝，覆盖在第一串珠状PAA纳米纤维膜上，形成均匀的第二PAA/ZIF-8纳米纤维；
粘合：将制得的ZIF-8改性PI/串珠状PI/ZIF-8改性PI纳米纤维复合膜进行粘合后制备成过滤材料；
亚胺化处理：将ZIF-8改性PI/串珠状PI/ZIF-8改性PI纳米纤维膜在60-80℃下干燥2小时以去除溶剂并定型，接着在马弗炉中经过两阶段热亚胺化处理，最终制备出多层过滤材料。

优选的，所述步骤(1)中ODA和PMDA原料于溶剂中制备第一PAA溶液，浓度为20-24wt％，纺丝电压为18-25kV，滚筒转速为100-200r/min，纺丝接收距离10-20cm。
优选的，所述步骤(1)中溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）或二甲基亚砜（DMSO）中的一种。
优选的，所述步骤(2)中六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为1:2-8，所述的溶剂为甲醇；搅拌反应过程中转速为300-600rpm。
优选的，所述步骤(3)中ODA与PMDA的摩尔比为1:1-1.02，将PMDA分7-8次添加到搅拌溶解均匀的第二溶液中，加入的量随着次数增加而减少，每一次需等加入的二酐单体粉末完全溶解后再加下一次，间隔时间约10-20min。
优选的，所述步骤(3)中通过控制ZIF-8与PMDA的质量比，制备了掺杂量分别为1wt％-6wt％的前驱体溶液ZIF-8/PAA。
优选的，所述步骤(3)中第二PAA/ZIF-8溶液浓度为26-30wt％，纺丝电压为25-35kV，滚筒转速为100-200r/min，接收器距离为10-20cm，环境温度为20-30℃，相对湿度为20-60％。
优选的，所述步骤(4)中ZIF-8改性PI/串珠状PI/ZIF-8改性PI纳米纤维复合膜的粘合方式为超声波粘合。
优选的，所述步骤(5)热酰亚胺化过程中，首先在100-200℃加热15-30min使PAA分子转化为PI，然后在200-300℃下进一步加热20-40min完成亚胺化。

技术效果

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

结构优化：夹心层结构设计，以串珠状纳米纤维层作为核心，降低滤阻，同时在两侧配以直径较小的纳米纤维层，有效捕获微小颗粒物，实现了过滤效率与低阻力的双重提升。
改性增强：ZIF-8材料的引入不仅增强了对病毒和细菌的捕获能力，而且与PI复合后，进一步提升了过滤性能，同时保持了滤料的低阻力特性。
粘合创新：采用超声波粘合技术，对静电纺纳米膜的破坏极小，确保了复合膜的高粘合牢度和优异的机械性能，有效避免了因热损伤导致的结构变化和性能下降，同时保留了纳米纤维膜的高透气性和低阻力特性。
稳定性提升：静电纺丝技术与MOFs材料的结合显著提高了材料的化学和热稳定性，使口罩滤芯在多变环境下保持性能，且可折叠使用，水洗后性能依旧稳定。
可持续性：成功研制了一种新型纳米纤维材料，其性能媲美甚至超越市场上高价的商业过滤介质，同时为电池隔膜、生物组织工程等应用领域开辟了创新途径。
成本效益：制备流程简化，界面相容性良好，降低了生产成本，使得高效低阻的口罩滤芯经济实用，具有更广泛的市场应用潜力。

技术特征

一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据权利要求1所述的一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中ODA和PMDA原料于溶剂中制备第一PAA溶液，浓度为20-24wt％，纺丝电压为18-25kV，滚筒转速为100-200r/min，纺丝接收距离10-20cm。
根据权利要求1所述的一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中六水合硝酸锌与2-甲基咪唑的摩尔比为1:2-8，所述的溶剂为甲醇；搅拌反应过程中转速为300-600rpm。
根据权利要求1所述的一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中ODA与PMDA的摩尔比为1:1-1.02，将PMDA分7-8次添加到搅拌溶解均匀的第二溶液中，加入的量随着次数增加而减少，每一次需等加入的二酐单体粉末完全溶解后再加下一次，间隔时间约10-20min。
根据权利要求1所述的一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中第二PAA/ZIF-8溶液浓度为26-30wt％，纺丝电压为25-35kV，滚筒转速为100-200r/min，接收器距离为10-20cm，环境温度为20-30℃，相对湿度为20-60％。
根据权利要求1所述的一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中ZIF-8改性PI/串珠状PI/ZIF-8改性PI纳米纤维复合膜的粘合方式为超声波粘合。
根据权利要求1所述的一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(5)热酰亚胺化过程中，首先在100-200℃加热15-30min使PAA分子转化为PI，然后在200-300℃下进一步加热20-40min完成亚胺化。

技术总结

本发明公开了一种用于口罩滤芯的高效低阻静电纺多层过滤材料及其制备方法。该方法包括以下步骤：首先，将ODA和PMDA原料溶解于溶剂中，制备成第一PAA溶液；接着，利用静电纺丝技术将该溶液制成第一串珠状PAA纳米纤维膜。然后，将ZIF-8原料溶解于中，与ODA和PMDA混合，形成第二PAA/ZIF-8溶液，并通过静电纺丝技术在第一层上下叠加第二PAA/ZIF-8纳米纤维层，并经过热亚胺化处理，成功制备出具有ZIF-8改性PI/串珠状PI/ZIF-8改性PI结构的多层过滤材料。本发明的制备工艺简化而高效，所制得串珠状多层过滤材料不仅具有优异的过滤效率和低阻力特点，而且在空气净化领域展现出巨大的应用潜力。