[发明专利]一种基于纤维素纳米纤维增强水凝胶转化制备的空气过滤复合膜及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于纤维素纳米纤维增强水凝胶转化制备的空气过滤复合膜及其制备方法，包括以下步骤：1)：以纤维素纳米纤维水溶液、交联剂、功能助剂、高分子材料为原料制备出水凝胶复合物；2)：将所述水凝胶复合物转移并涂覆到多孔基底材料表面，获得一种水凝胶/基底复合膜；3)：对所述水凝胶/基底复合膜进行冷冻预处理；4)：对冷冻预处理后获得的水凝胶/基底复合膜进行干燥处理，即可得到一种以多孔基底材料为骨架、以广泛填充在骨架空隙之间的多级网状结构的纤维素纳米纤维为有效核心滤网的空气过滤复合膜。根据本发明制备的空气过滤复合膜有望替代现有的石油基滤材，在个体防护、环境治理以及医药卫生等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及空气过滤材料领域，更具体地涉及一种基于纤维素纳米纤维增强水凝胶转化制备的空气过滤复合膜及其制备方法。

背景技术

近年来，空气污染问题日益受到世界各国的关注。空气中的颗粒物(PM)污染严重影响人们的生活质量，对公众健康构成严重威胁，并影响能见度、气候和生态系统。PM是极小的固体颗粒和空气中的液滴的混合物，由有机化合物、炭黑、硫酸盐、硝酸盐、氨和微量金属组成。根据粒径大小，PM一般分为PM2.5和PM10两类，分别是指粒径小于2.5和10μm的颗粒。PM2.5颗粒很小，可以穿透人的支气管和肺，长期接触PM2.5会增加发病率和死亡率。鉴于健康问题，许多研究者都在致力于开发高效率的空气过滤器。

目前，被广泛应用的空气过滤材料主要包括熔喷驻极纤维材料、聚四氟乙烯薄膜材料、玻璃纤维材料和静电纺丝法制备的聚丙烯腈、聚氨酯等聚合物的无纺布材料。熔喷驻极纤维材料主要依靠带电纤维与颗粒间的静电引力或感应力实现对颗粒物的高效捕集，其他空气过滤材料主要依靠纤维间的较小孔隙实现物理拦截。尽管这些传统的纤维空气过滤材料具有较高的空气过滤效率，但是它们属于不可再生资源，且不可生物降解，进而造成二次污染，因此迫切需求可降解的空气过滤材料。

纤维素是地球上最丰富、可持续和可再生的天然高分子。作为纤维素的基元材料，纳米纤维素生物可降解，并且具有高比表面积、良好的吸附性能和易于功能化等诸多优点，广泛应用于纺织、包装、生物医学、水处理、光电器件、农业和食品等领域，在空气过滤方面也得到一些应用，并展现出良好的性能。因此，以纳米纤维素为原料取代聚合物纤维制备空气过滤材料具有很大的发展潜力和应用价值。

中国专利《一种空气过滤用细菌纤维素纳米纤维复合膜及其制备方法》(CN107486033B)公开了一种基于空气过滤用细菌纤维素纳米纤维的复合膜及其制备方法，该专利公开的方法是将细菌纤维素膜机械解离并分散于不溶性溶剂中，通过加入分散剂形成稳定的悬浮液，然后采用同步超声过滤方法将细菌纤维素纳米纤维悬浮液铺在多孔纤维基材表面形成湿态复合纤维膜，接着脱除湿态复合纤维膜中的残留溶剂获得未改性的复合纤维膜，对未改性的复合纤维膜进行表面疏水改性处理获得表面具有完全覆盖的连续二维网状结构的空气过滤用细菌纤维素纳米纤维复合膜。该方法面临一些问题：首先，原料来源单一，且价格高，不利于实际规模化生产，因为细菌纤维素是在不同条件下，依靠醋酸菌属、土壤杆菌属、根瘤菌属和八叠球菌属等菌属中的某种微生物合成的纤维素，因而原料材料产量低，成本高；其次，细菌纤维结晶度高，机械分散难度大，造成纤维尺寸较大，不利于提升过滤效率；由于纤维素分子链的特殊结构及基团特征，即使在分散剂帮助的情况下，也很难在除了水以外的溶剂中有效分散，一旦失去相应的分散剂，借助于纤维素分子链间、链内氢键作用，湿态的细菌纤维素纳米纤维会立刻聚集成较为致密的膜状材料，难以形成空气过滤需要的多孔结构，而且一旦干燥成型后，即使进行改性处理也难以形成多孔结构。因而，上述方法实用性低，可操控性差。