CN110732186B - 一种多孔空气过滤膜及其制备方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多孔空气过滤膜及其制备方法和用途。所述多孔空气过滤膜包括多孔基底材料和覆盖在所述多孔基底材料的纤维上的具有热释电功能的聚合物层。本发明所述多孔空气过滤膜可阻留比本身孔隙小得多的细小颗粒，而且容尘量高、过滤效率高、空气过滤阻力低，并且能够再生以重复多次使用。本发明使用喷涂法将具有热释电功能的聚合物层覆盖在多孔基底材料的纤维上，从而制备得到多孔空气过滤膜，所述制备方法简单，制备条件温和，耗能低，易于工业化生产。

Description

一种多孔空气过滤膜及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于复合材料领域，具体涉及一种多孔空气过滤膜及其制备方法和用途。

背景技术

在工业化、城镇化不断推进的大背景下，能源和资源的消耗量也在不断地增大，由此引发的环境污染问题越来越不容忽视。同时，人们的生活水平在逐步提高，尤其对于居住、办公、出行交通工具、休闲娱乐场所等室内、车内密闭环境的空气质量要求也越来越高，对各类空气净化产品的需求越来越旺盛。

市面上目前在售的各类空气净化产品，其产品的核心在于过滤的介质，绝大部分产品所采用的过滤介质为玻璃纤维或聚丙烯纤维的高效颗粒物空气过滤器(HEPA)，在其多孔网络的基础上通过施加高压静电或电晕的方法使其带有一定量的电荷，从而使得过滤材料在保证低过滤气阻的前提下，可以尽可能地提高过滤效率。但该类材料的主要不足之处在于其所带电荷受使用环境(如高温、高湿等)的影响严重，因此其使用寿命短、不能重复使用，而其使用后的废弃物也会产生危废等二次污染。

CN106237717A公开了一种高效低阻静电纺纳米纤维空气过滤材料及批量化制备方法，所述过滤材料为纺粘非织造布与纳米纤维相间排列的夹层结构；采用无针式静电纺丝喷头，然后通过静电纺丝与静电喷雾同步相结合技术，制得纳米纤维/微球复合膜，该发明虽然可实现纳米纤维过滤材料的批量化生产，但是对于空气中细小微尘的过滤能力较低，而且滤材再生重复使用的利用率低。

CN107583377A公开了一种功能化石墨烯修饰的空气过滤膜及其制备方法，所述复合滤膜包括：无纺布基底支撑层、静电纺丝复合纤维致密层两部分，该滤膜可低阻地过滤空气中的烟雾、花粉、PM2.5等细小颗粒物，但是长时间使用，功能化石墨烯易团聚成石墨大颗粒，造成吸附能力的下降，而且该空气过滤膜也较难再生以重复使用。

CN110028741A公开了一种热释电复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料包括热释电性的聚合物基体材料和无机纳米颗粒填料。所述复合材料形成的纤维网络结构，孔隙率较大，对于PM2.5等细小颗粒物吸附能力较弱，而且所述复合材料通过熔融热压法制得，材料成本高、耗能较高。

因此，开发一种过滤效果好，并能再生以重复使用的滤材是本领域目前研究的重点之一。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多孔空气过滤膜及其制备方法和用途，所述多孔空气过滤膜能够吸附空气中细小颗粒物，并能再生以重复使用。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种多孔空气过滤膜，所述多孔空气过滤膜包括多孔基底材料和覆盖在所述多孔基底材料的纤维上的具有热释电功能的聚合物层。

在本发明中，利用具有热释电功能的聚合物层的静电吸附效应，以吸附空气中细小颗粒物。本发明所述过滤材料的孔隙相当于无数个无源集尘电极，当气流中的极性细小微粒尤其是亚微米级粒子通过材料的孔隙时，就在静电力的作用下被捕获。气流中的中性细小微粒因感应或极化而成为偶极子，从而也可有效地被捕获。

在本发明中，多孔基底材料和覆盖在所述多孔基底材料的纤维上的具有热释电功能的聚合物层相结合，使得多孔空气过滤膜在保持孔隙率相对较大、孔隙密度较大、孔径也较大的前提下，对于空气中更为细小的颗粒物的吸附能力更强。

优选地，所述多孔基底材料为针刺无纺布。

所述针刺无纺布呈现致密的三维结构，其孔隙为弯曲迂回的通道，材料纤维杂乱排列，上下穿插，相互缠绕。纤维之间孔隙较大，滤阻较低、滤效也较低，可以阻留与本身孔隙相当的尘粒，而且具有容尘量高，在较大的过滤风量下仍能保持一定的过滤效果的特性。此外，针刺无纺布还具有透湿、结构均匀、强度高的特点。

优选地，所述针刺无纺布包括聚丙烯(PP)针刺无纺布、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)针刺无纺布、聚酰胺(PA)针刺无纺布或聚酰亚胺(PI)针刺无纺布中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述针刺无纺布密度在50g/m²以上，例如可以是50g/m²、60g/m²、70g/m²、80g/m²、90g/m²、100g/m²、110g/m²、120g/m²、130g/m²、140g/m²、150g/m²、160g/m²、170g/m²、180g/m²、190g/m²、200g/m²、210g/m²、220g/m²、230g/m²、240g/m²、250g/m²、300g/m²、350g/m²、400g/m²、450g/m²、500g/m²。

优选地，所述针刺无纺布密度为100-250g/m²，优选为100-200g/m²。

优选地，所述具有热释电功能的聚合物层的厚度为0.1-10μm，例如可以是0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm，优选为0.2-2μm。

作为本发明优选方案，所述具有热释电功能的聚合物层的厚度为0.2-2μm，在此范围内既能保证较高的过滤效率，同时还能保证气阻不会过大，原因是因为当具有热释电功能的聚合物层的厚度达到0.2μm时，能够产生足够大量的静电荷，维持足够强度的静电场强，达到吸附颗粒物的要求；但当厚度超过2μm时，会由于大幅降低孔隙率而导致整个多孔过滤膜的气阻过大。

优选地，所述具有热释电功能的聚合物层包括热释电性聚合物和热释电颗粒。

在本发明中，热释电性聚合物作为有机驻极体，在其中加入热释电颗粒来增大电荷的储存能力，减缓聚合物层的电荷衰减速度，并提高成纤性能。因此，当大气中的细微颗粒物通过时，不管是极性的还是可以被极化的，都可以被具有热释电功能的聚合物层捕获，此外，还可以延长具有热释电功能的聚合物层的衰减期，从而延长其使用寿命。

优选地，所述热释电颗粒占所述具有热释电功能的聚合物层总重量的0.1-20％，例如可以是0.1％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、10％、10.5％、11％、11.5％、12％、12.5％、13％、13.5％、14％、14.5％、15％、15.5％、16％、17％、18％、19％、20％。

优选地，所述热释电性聚合物包括聚偏氟乙烯(PVDF)和/或聚酰胺-11(PA-11)。

在本发明中，所述聚偏氟乙烯(PVDF)是一种稳定的柔性有机材料，极化后具有强压电和热释电性，PVDF为链状半结晶高聚合物，β晶相PVDF的全部F原子和H原子分别位于分子链两侧，呈全反式构象。在其中加入热释电颗粒来增大电荷的储存能力，减缓聚合物层的电荷衰减速度。

在本发明中，所述聚酰胺-11，分子链中的亚甲基链较长，酰胺基密度低，在其中加入热释电颗粒来增大电荷的储存能力，减缓聚合物层的电荷衰减速度，并提高成纤性能。

优选地，所述聚偏氟乙烯的重均分子量5000-600000，例如可以是5000、6000、7000、8000、9000、10000、20000、50000、80000、100000、200000、300000、400000、500000、600000。

优选地，所述聚酰胺-11的重均分子量为5000-200000，例如可以是5000、6000、8000、10000、12000、14000、16000、18000、20000、30000、50000、80000、100000、150000、200000。

优选地，所述热释电颗粒为热释电驻极性无机微纳米颗粒。

优选地，所述热释电颗粒包括铌酸锂和/或电气石。

铌酸锂具有铁电相结构，属于3m点群，是目前已知居里点最高和自发极化趋势最大的铁电体。因此，通过简单地温度调节即可以使铌酸锂表面产生大量表面电荷，具有驻电过程简单、操作方便的优点。由于大气中的细微颗粒物具有一定的极性或者可以被极化，因此，利用铌酸锂热释电产生的电荷，可以直接捕获空气中的极性颗粒物或者使中性颗粒物被极化后捕获。而且，由于铌酸锂晶体不发生介电损耗，因此可以反复驻电，使用寿命得到延长。因此，综合铌酸锂本身的热释电性能和聚合物驻极体材料良好的储电性能，制备得到的具有热释电功能的聚合物层，既具有铌酸锂本身的热释电效应，也易于制作具有多孔结构的空气过滤膜。

优选地，所述热释电颗粒的粒径为10-900nm，例如可以是10nm、20nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm，优选为50-200nm。

作为本发明的优选方案，所述热释电颗粒的粒径为50-200nm，若热释电颗粒的粒径过小则不能保证其热释电性，其捕获被极化中性颗粒物的能力相对较小，若热释电颗粒的粒径过大，则热释电颗粒将严重降低聚合物基体的力学性能，同时材料的均匀性变差，过滤膜吸附能力下降。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的多孔空气过滤膜的制备方法，所述制备方法为：使用喷涂法将具有热释电功能的聚合物层覆盖在多孔基底材料的纤维上，得到所述多孔空气过滤膜。

优选地，所述制备方法具体包括以下步骤：

(1)向热释电颗粒中加入溶剂进行分散，再加入热释电性聚合物进行混合，得到含有热释电颗粒的聚合物分散液；

(2)将步骤(1)得到的含有热释电颗粒的聚合物分散液喷涂入针刺无纺布后，进行干燥和热极化处理，得到所述多孔空气过滤膜。

优选地，步骤(1)所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和/或甲酸(FA)。

优选地，步骤(1)所述分散为超声分散。

优选地，所述超声分散的时间为0.5-1h，例如可以是0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1h。

优选地，步骤(1)所述混合的温度为60-70℃，例如可以是60℃、61℃、62℃、63℃、64℃、65℃、66℃、67℃、68℃、69℃、70℃。

优选地，步骤(1)所述混合的时间为2-3h，例如可以是2h、2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h、3h。

优选地，步骤(1)所述含有热释电颗粒的聚合物分散液中热释电性聚合物的浓度为0.1-10wt％，例如可以是0.1wt％、0.2wt％、0.4wt％、0.6wt％、0.8wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％。

优选地，步骤(1)所述加入热释电性聚合物混合后还包括二次分散和脱泡的步骤。

优选地，所述二次分散的时间为1-2h，例如可以是1h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h、2h。

优选地，所述脱泡为真空脱泡.

优选地，所述真空脱泡的时间为10-30min，例如可以是10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min、30min。

优选地，步骤(2)所述喷涂为利用高压喷枪喷涂。

优选地，所述高压喷枪喷涂的速度为0.5-30mL/min，例如可以是0.5mL/min、1mL/min、2mL/min、4mL/min、6mL/min、8mL/min、10mL/min、12mL/min、14mL/min、16mL/min、18mL/min、20mL/min、22mL/min、24mL/min、26mL/min、28mL/min、30mL/min。

优选地，步骤(2)所述干燥为放入鼓风干燥箱中干燥。

优选地，步骤(2)所述热极化的温度为90-150℃，例如可以是90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃或150℃等，优选为90-120℃。

优选地，步骤(2)所述热极化的电场强度为20-250MV/m，例如可以是20MV/m、50MV/m、100MV/m、150MV/m、200MV/m或250MV/m等，优选为50-200MV/m。

优选地，步骤(2)所述热极化的时间为5-60min，例如可以是5min、10min、20min、30min、40min、50min或60min，优选为10-30min。

优选地，所述制备方法具体包括以下步骤：

(1)向热释电颗粒中加入溶剂，超声分散0.5-1h，再加入热释电性聚合物，在60-70℃下搅拌混合2-3h，再进行二次超声分散1-2h，真空脱泡10-30min，得到含有热释电颗粒的聚合物分散液；

(2)将步骤(1)得到的含有热释电颗粒的聚合物分散液利用高压喷枪喷涂入针刺无纺布后，放入鼓风干燥箱中干燥，再在90-150℃下进行热极化处理5-60min，所述热极化的电场强度为20-250MV/m，得到所述多孔空气过滤膜。

第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述多孔空气过滤膜的用途，所述多孔空气过滤膜用于吸附大气中的颗粒物。

优选地，所述颗粒物包括油性颗粒物和/或非油性颗粒物。

优选地，所述复合材料吸附大气中的细微颗粒物后，使用清洗结合热处理的方法，使所述多孔空气过滤膜再生重复使用。

作为本发明优选的技术方案，在所述复合材料吸附大气中的颗粒物达到饱和后使用清理和水洗进行脱附然后加热处理再生。

本发明中，所述清理和水洗脱附和加热再生的方法具体为：当所述热释电复合材料吸附细微颗粒物达到饱和后，用毛刷清理，然后将其放入超声清洗槽中超声处理，使吸附在表面的细微颗粒物脱附；一定温度下重新加热基于热释电性聚合物/无机颗粒复合体系的热释电材料，使得热释电复合材料表面重新表现出带电性，从而热释电复合材料可以重新吸附细微颗粒物，实现再生以重复使用。

优选地，所述清洗为超声清洗。

优选地，所述热处理的温度为40-120℃，例如可以是40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃或120℃等，优选为40-70℃。

优选地，所述热处理的时间为0.1-2min，例如可以是0.1min、0.2min、0.5min、0.6min、0.8min、1min、1.2min、1.5min、1.8min或2min，优选为0.5-2min。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所述多孔空气过滤膜包括多孔基底材料和覆盖在所述多孔基底材料的纤维上的具有热释电功能的聚合物层，其孔隙率相对较高，孔隙密度较大，孔径也较大，并可阻留比本身孔隙小得多的细小颗粒，而且具有容尘量高、过滤效率高、空气过滤阻力低，以及能够再生重复多次使用的优点。

附图说明

图1为聚丙烯针刺无纺布的扫描电子显微镜(SEM)图。

图2为铌酸锂微纳米颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图。

图3为电气石微纳米颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图。

图4为实施例1制备的多孔空气过滤膜的扫描电子显微镜(SEM)图。

图5为实施例8制备的多孔空气过滤膜的扫描电子显微镜(SEM)图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例提供一种多孔空气过滤膜，所述多孔空气过滤膜包括聚丙烯(PP)针刺无纺布和覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层，所述聚合物层包括聚偏氟乙烯(PVDF)和铌酸锂(LN)纳米颗粒。

本实施例的制备方法具体包括以下步骤：

(1)掺杂LN纳米颗粒的PVDF溶液的配制

将0.04g LN纳米颗粒(平均粒径约为200nm)加入盛有98g DMF溶剂的带塞锥形瓶中，超声分散0.5h，然后加入2g的PVDF粉末(重均分子量为200000)，65℃搅拌3h溶解均匀，得到均一的溶液，再次超声分散1h，然后真空脱泡10min，其中PVDF的浓度为2wt％，LN纳米颗粒的质量浓度为PVDF量的2％。

(2)喷涂法制备多孔空气过滤膜

将步骤(1)制备的PVDF溶液加入到气动喷枪的壶中，利用高压气体将PVDF溶液以3mL/min的喷涂速率喷涂入PP针刺无纺布基底(无纺布密度为150g/m²)中，在其纤维上形成约0.2μm厚的覆盖层。然后放入鼓风干燥箱中干燥处理，再在120℃下进行热极化处理10min，所述热极化的电场强度为100MV/m，得到所述多孔空气过滤膜。

聚丙烯针刺无纺布的扫描电子显微镜图如图1所示，其纤维直径约为5-15μm。铌酸锂微纳米颗粒的扫描电子显微镜图如图2所示，其直径约为100-600nm。实施例1制备的多孔空气过滤膜的扫描电子显微镜图如图4所示，由图4可以看出所述具有热释电功能的聚合物层覆盖在多孔基底材料的纤维上的，其厚度约为0.2μm。多孔空气过滤膜，孔隙率相对较大，孔隙密度大，孔径也较大，但由于热释电聚合物层的静电作用可阻留比本身孔隙小得多的尘粒。(显微镜型号为日本JEOL公司JSM-7500F型)

实施例2

同实施例1，区别仅在于：覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层厚度为0.5μm。

实施例3

同实施例1，区别仅在于：覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层厚度为1μm。

实施例4

同实施例1，区别仅在于：覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层厚度为2μm。

实施例5

同实施例1，区别仅在于：覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层厚度为5μm。

实施例6

同实施例1，区别仅在于：覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层厚度为8μm。

实施例7

本实施例提供一种多孔空气过滤膜，所述多孔空气过滤膜包括聚丙烯(PP)针刺无纺布和覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层，所述聚合物层包括聚酰胺-11(PA-11)和铌酸锂(LN)纳米颗粒。

(1)掺杂LN纳米颗粒的PA-11溶液的配制

将0.02g的LN纳米颗粒(平均粒径约为200nm)加入盛有99g FA溶剂的带塞锥形瓶中，超声分散1h，然后加入1g的PA-11颗粒(重均分子量为30000)，常温下搅拌3h溶解均匀，得到均一的溶液，再次超声分散2h，然后真空脱泡20min，其中PA-11的浓度为1wt％，LN纳米颗粒的质量浓度为PA-11量的2％。

(2)喷涂法制备多孔空气过滤膜

将步骤(1)制备的PA-11溶液加入到气动喷枪的壶中，利用高压气体将PA-11溶液以2mL/min的喷涂速率喷涂入PP针刺无纺布基底(无纺布密度为150g/m²)中，在其纤维上形成约0.3μm厚的覆盖层。然后放入鼓风干燥箱中干燥处理，再在100℃下进行热极化处理40min，所述热极化的电场强度为120MV/m，得到所述多孔空气过滤膜。

实施例8

本实施例提供一种多孔空气过滤膜，所述多孔空气过滤膜包括聚丙烯(PP)针刺无纺布和覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层，所述聚合物层包括聚酰胺-11(PA-11)和电气石纳米颗粒。

(1)掺杂电气石纳米颗粒的PA 11溶液的配制

将0.04g电气石纳米颗粒(平均粒径约为200nm)加入盛有98g DMF的带塞锥形瓶中，超声分散1h，然后加入2g的PVDF粉末(重均分子量为200000)，65℃搅拌3h溶解均匀，得到均一的溶液，再次超声分散1.5h，然后真空脱泡20min，其中PVDF的浓度为2wt％，电气石纳米颗粒的质量浓度为PVDF量的2％。

(2)喷涂法制备具有热释电功能的可重复使用的多孔空气过滤膜

将步骤(1)制备的PVDF溶液加入到气动喷枪的壶中，利用高压气体将PVDF溶液以3mL/min的喷涂速率喷涂入PP针刺无纺布基底(无纺布密度为150g/m²)中，在其纤维上形成约0.2μm厚的覆盖层。然后放入鼓风干燥箱中干燥处理，再在90℃下进行热极化处理30min，所述热极化的电场强度为200MV/m，得到所述多孔空气过滤膜。

电气石微纳米颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图如图3所示，由图3可以看出其直径约为100-700nm，实施例8制备的多孔空气过滤膜的扫描电子显微镜图如图5所示，由图5可以看出所述具有热释电功能的聚合物层覆盖在多孔基底材料的纤维上的，其厚度约为0.2μm。多孔空气过滤膜，孔隙率相对较大，孔隙密度大，孔径也较大，但由于热释电材料的静电荷可阻留比本身孔隙小得多的尘粒。

实施例9

本实施例提供一种多孔空气过滤膜，所述多孔空气过滤膜包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)针刺无纺布和覆盖在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层，所述聚合物层包括聚偏氟乙烯(PVDF)和铌酸锂(LN)纳米颗粒。

本实施例的制备方法具体包括以下步骤：

(1)掺杂LN纳米颗粒的PVDF溶液的配制

将0.04g LN纳米颗粒(平均粒径约为200nm)加入盛有98g DMF溶剂的带塞锥形瓶中，超声分散0.5h，然后加入2g的PVDF粉末(重均分子量为200000)，65℃搅拌3h溶解均匀，得到均一的溶液，再次超声分散1h，然后真空脱泡10min，其中PVDF的浓度为2wt％，电气石纳米颗粒的质量浓度为PVDF量的2％。

(2)喷涂法制备多孔空气过滤膜

将步骤(1)制备的PVDF溶液加入到气动喷枪的壶中，利用高压气体将PVDF溶液以3mL/min的喷涂速率喷涂入聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(无纺布密度为150g/m²)中，在其纤维上形成约2μm厚的覆盖层。然后放入鼓风干燥箱中干燥处理，再在120℃下进行热极化处理10min，所述热极化的电场强度为100MV/m，得到所述多孔空气过滤膜。

实施例10

本实施例提供一种多孔空气过滤膜，所述多孔空气过滤膜包括聚丙烯(PP)针刺无纺布和覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层，所述聚合物层包括聚偏氟乙烯(PVDF)和铌酸锂(LN)纳米颗粒。

本实施例的制备方法具体包括以下步骤：

(1)掺杂LN纳米颗粒的PVDF溶液的配制

将0.04g LN纳米颗粒(平均粒径约为200nm)加入盛有98g DMF溶剂的带塞锥形瓶中，超声分散0.5h，然后加入2g的PVDF粉末(重均分子量为200000)，65℃搅拌3h溶解均匀，得到均一的溶液，再次超声分散1h，然后真空脱泡10min，其中PVDF的浓度为2wt％，电气石纳米颗粒的质量浓度为PVDF量的2％。

(2)喷涂法制备多孔空气过滤膜

将步骤(1)制备的PVDF溶液加入到气动喷枪的壶中，利用高压气体将PVDF溶液以3mL/min的喷涂速率喷涂入PP针刺无纺布基底(无纺布密度为50g/m²)中，在其纤维上形成约2μm厚的覆盖层。然后放入鼓风干燥箱中干燥处理，再在120℃下进行热极化处理10min，所述热极化的电场强度为100MV/m，得到所述多孔空气过滤膜。

实施例11

本实施例提供一种多孔空气过滤膜，所述多孔空气过滤膜包括聚丙烯(PP)针刺无纺布和覆盖在聚丙烯针刺无纺布的纤维上的具有热释电功能的聚合物层，所述聚合物层包括聚偏氟乙烯(PVDF)和钛酸钡纳米颗粒。

本实施例的制备方法具体包括以下步骤：

(1)掺杂钛酸钡颗粒的PVDF溶液的配制

将0.04g钛酸钡纳米颗粒(平均粒径约为200nm)加入盛有98g DMF溶剂的带塞锥形瓶中，超声分散0.5h，然后加入2g的PVDF粉末(重均分子量为200000)，65℃搅拌3h溶解均匀，得到均一的溶液，再次超声分散1h，然后真空脱泡10min，其中PVDF的浓度为2wt％，钛酸钡颗粒的质量浓度为PVDF量的2％。

(2)喷涂法制备多孔空气过滤膜

将步骤(1)制备的PVDF溶液加入到气动喷枪的壶中，利用高压气体将PVDF溶液以3mL/min的喷涂速率喷涂入PP针刺无纺布基底(无纺布密度为150g/m²)中，在其纤维上形成约2μm厚的覆盖层。然后放入鼓风干燥箱中干燥处理，再在120℃下进行热极化处理10min，所述热极化的电场强度为100MV/m，得到所述多孔空气过滤膜。

对比例1

本对比例提供一种过滤膜，同实施例4，区别仅在于：所述过滤膜仅含多孔基底材料层，不含覆盖在所述多孔基底材料的纤维上的具有热释电功能的聚合物层。

对比例2

本对比例提供一种过滤膜，同实施例4，区别仅在于：所述过滤膜仅含由具有热释电功能的聚合物层制备的纤维膜(纤维直径约30-100μm，克重约150g/m²)，不含多孔基底材料。

试验例1

过滤效率和气阻试验

对上述实施例1-11制备的多孔过滤膜和对比例1-2制备的过滤膜进行过滤效率和气阻，测试仪器为美国TSI公司8130型滤料测试仪，测试方法为：使用2wt％NaCl溶液，气溶胶颗粒质量中值直径约为0.26μm，空气流速为32L/min(气流速度约合0.053m/s)。具体测试结果如表1所示。

表1

项目	PM0.3过滤效率/％	气阻/Pa
			实施例1	85	39
实施例2	90	42
			实施例3	92	45
实施例4	95	49
			实施例5	96	78
实施例6	97	95
			实施例7	86	41
实施例8	84	37
			实施例9	94	47
实施例10	78	34
			实施例11	91	44
对比例1	63	28
			对比例2	45	25

由表1的测试数据可知，本发明制备的多孔过滤膜PM0.3过滤效率78％以上，作为本实施例优选方案，制备的多孔过滤膜PM0.3过滤效率高达95％以上，过滤气阻可以达到在50Pa以下，均优于对比例1-2制备的过滤膜。这说明本发明所述所述多孔空气过滤膜，孔隙率相对较小，孔隙密度大，孔径小，并可阻留比本身孔隙小得多的尘粒，而且具有容尘量高、过滤效率高、空气过滤阻力低。

试验例2

多孔空气过滤膜再生试验

对上述实施例4制备的多孔过滤膜、实施例8-11制备的多孔过滤膜和对比例1-2制备的过滤膜重复进行处理，再对过滤效率和气阻进行测试，测试方法为：将实施例4、实施例8-11制备的多孔空气过滤膜和对比例1-2制备的过滤膜在同等环境下进行多次容尘后，放入超声设备中超声清洗；再放入60℃的烘箱中加热处理，使得过滤膜实现再生，具体测试结果如表2所示。

表2

由表2的测试数据可知，本发明制备的多孔空气过滤膜多次吸附细微颗粒物达到饱和后，放入超声清洗槽中超声处理，就能够使吸附在表面的细微颗粒物脱附；再重新加热基于热释电性聚合物/无机颗粒复合体系的热释电材料，就能使热释电复合材料可以重新吸附细微颗粒物，实现再生和过滤膜的多次重复使用。本发明所述多孔空气过滤膜在重复清理10次后，PM0.3过滤效率仍可达80％以上，气阻可保证在55Pa以下，过滤膜在容尘后可通过简单的清理并结合热处理的方法实现再生，得以重复多次使用，其过滤效率只有小幅下降。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的多孔空气过滤膜及其制备方法和用途，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (26)

1.一种过滤气阻在50Pa以下的多孔空气过滤膜，其特征在于，所述多孔空气过滤膜包括多孔基底材料和覆盖在所述多孔基底材料的纤维上的具有热释电功能的聚合物层；

所述多孔基底材料为针刺无纺布，所述针刺无纺布密度在100-200g/m²；

所述具有热释电功能的聚合物层的厚度为0.2-2μm；

所述具有热释电功能的聚合物层包括热释电性聚合物和热释电颗粒，所述热释电性聚合物包括聚偏氟乙烯和/或聚酰胺-11，所述热释电颗粒为铌酸锂，所述热释电颗粒的粒径为50-200nm；

所述多孔空气过滤膜的制备方法具体包括以下步骤：

(1)向热释电颗粒中加入溶剂进行分散，再加入热释电性聚合物进行混合，得到含有热释电颗粒的聚合物分散液；

(2)将步骤(1)得到的含有热释电颗粒的聚合物分散液喷涂入针刺无纺布后，进行干燥和热极化处理，得到所述多孔空气过滤膜；

所述喷涂为利用高压喷枪喷涂，所述高压喷枪喷涂的速度为0.5-5mL/min；

所述热极化的温度为90-150℃，所述热极化的电场强度为20-250MV/m，所述热极化的时间为5-60min。

2.根据权利要求1所述的多孔空气过滤膜，其特征在于，所述针刺无纺布包括聚丙烯针刺无纺布、聚对苯二甲酸乙二醇酯针刺无纺布、聚酰胺针刺无纺布或聚酰亚胺针刺无纺布中的任意一种或至少两种的组合。

3.根据权利要求1所述的多孔空气过滤膜，其特征在于，所述热释电颗粒占所述具有热释电功能的聚合物层总重量的0.1-20％。

4.根据权利要求1所述的多孔空气过滤膜，其特征在于，所述聚偏氟乙烯的重均分子量5000-600000。

5.根据权利要求1所述的多孔空气过滤膜，其特征在于，所述聚酰胺-11的重均分子量为5000-200000。

6.根据权利要求1-5中任一项所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：

(1)向热释电颗粒中加入溶剂进行分散，再加入热释电性聚合物进行混合，得到含有热释电颗粒的聚合物分散液；

(2)将步骤(1)得到的含有热释电颗粒的聚合物分散液喷涂入针刺无纺布后，进行干燥和热极化处理，得到所述多孔空气过滤膜；

所述喷涂为利用高压喷枪喷涂，所述高压喷枪喷涂的速度为0.5-5mL/min；

所述热极化的温度为90-150℃，所述热极化的电场强度为20-250MV/m，所述热极化的时间为5-60min。

7.根据权利要求6所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺和/或甲酸。

8.根据权利要求6所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述分散为超声分散。

9.根据权利要求8所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述超声分散的时间为0.5-1h。

10.根据权利要求6所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合的温度为60-70℃，步骤(1)所述混合的时间为2-3h。

11.根据权利要求6所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含有热释电颗粒的聚合物分散液中热释电性聚合物的浓度为0.1-10wt％。

12.根据权利要求6所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述加入热释电性聚合物混合后还包括二次分散和脱泡的步骤。

13.根据权利要求12所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述二次分散的时间为1-2h。

14.根据权利要求12所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，所述脱泡为真空脱泡，所述真空脱泡的时间为10-30min。

15.根据权利要求6所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述干燥为放入鼓风干燥箱中干燥。

16.根据权利要求6所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热极化的温度为90-120℃。

17.根据权利要求6所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热极化的电场强度为50-200MV/m。

18.根据权利要求6所述多孔空气过滤膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热极化的时间为10-30min。

19.根据权利要求1-5中任一项所述多孔空气过滤膜的用途，其特征在于，所述多孔空气过滤膜用于吸附大气中的颗粒物。

20.根据权利要求19所述多孔空气过滤膜的用途，其特征在于，所述颗粒物包括油性颗粒物和/或非油性颗粒物。

21.根据权利要求19所述多孔空气过滤膜的用途，其特征在于，所述多孔空气过滤膜吸附大气中的细微颗粒物后，使用清洗结合热处理的方法，使所述多孔空气过滤膜再生重复使用。

22.根据权利要求21所述多孔空气过滤膜的用途，其特征在于，所述清洗为超声清洗。

23.根据权利要求21所述多孔空气过滤膜的用途，其特征在于，所述热处理的温度为40-120℃。

24.根据权利要求23所述多孔空气过滤膜的用途，其特征在于，所述热处理的温度为40-70℃。

25.根据权利要求21所述多孔空气过滤膜的用途，其特征在于，所述热处理的时间为0.1-2min。

26.根据权利要求25所述多孔空气过滤膜的用途，其特征在于，所述热处理的时间为0.5-2min。

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