高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法

1.本发明属于膜状材料过滤颗粒污染物测量技术领域，具体涉及高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法。

背景技术：

2.空气污染已经成为严重影响人类健康的全球性问题。颗粒物(pm)污染物主要由极微小的颗粒和液滴组成。根据空气动力学直径可分为pm2.5和pm10，分别为直径小于2.5μm和10μm的颗粒物。由于pm2.5非常小，它可以深入肺部，诱发各种疾病。因此，长期暴露在pm2.5中会对身体产生不良影响，如哮喘、心力衰竭、肺癌等。因此，人们研究了多种pm过滤技术和材料。到目前为止，被广泛使用的空气过滤器有两种：多孔膜过滤器和纤维过滤器。后者因其比表面积大、纤维直径小、孔隙率高、重量轻、易于生产和成本效益高而被认为具有更大的潜力。
3.纤维素纳米晶须(cnws)具有高度有序的晶区。cnws是纤维素的纳米形态，呈棒状或针状，含有超亲水表面，表现出良好的机械强度和低的细胞毒性。且使用纳米颗粒悬浮液的替代工艺可以增强纳米颗粒在聚合物基质中的分布，从而获得更高的机械性能。
4.现有空气过滤材料的过滤效率有限，且对于微小颗粒物的过滤效果很微弱。为此我们提出一种聚偏氟乙烯/纤维素纳米晶须纤维膜过滤颗粒污染物的效率及其制备方法来解决现有过滤材料中存在的问题。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，通过此方式进行纺丝前处理，绿环保无有毒有害物质产生，方法简单，易于重复，且制备的纤维素纳米晶须复合纤维膜呈纤维网状结构，通过改变添加纤维素纳米晶须的比例，可以改变其对颗粒污染物的过滤效率，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，包括如下步骤：
8.s1、称取一定量的cnws悬浊液分散于dmf中，得到分散溶液；
9.s2、称取一定量的pvdf粉末缓慢添加到的分散溶液中，得到混合液；
10.s3、将混合液在一定温度下机械搅拌一定时间，直至形成均匀的pvdf纺丝溶液；
11.s4、将pvdf纺丝溶液静置至少6h进行除泡作业，得到待纺丝溶液；
12.s5、将待纺丝溶液倒入注射器中开始纺丝。
13.优选的，步骤s1中所述dmf的加入量为20ml，所述dmf设置为n,n-二甲基甲酰胺。
14.优选的，所述cnws悬浊液为纤维素纳米晶须悬浊液，所述cnws悬浊液的ph值为6-7，所述cnws悬浊液添加的质量百分比为1％-4％。
15.优选的，步骤s2中所述pvdf为聚偏氟乙烯，所述pvdf粉末的添加质量为0.8g-1.1g。
16.优选的，步骤s3中所述混合液机械搅拌的条件为：温度为50℃-55℃、搅拌时间6h-8h。
17.优选的，步骤s5中所述注射器纺丝的方式为静电纺丝，静电纺丝电压为18kv，静电纺丝溶液注射速率为0.6ml/h。
18.优选的，所述注射器包括静电纺丝针尖与收集器，所述静电纺丝针尖与收集器之间的距离为20cm。
19.优选的，所述注射器在静电纺丝时需在室温下进行，其中室温的温度设置为24℃-26℃。
20.优选的，所述注射器在静电纺丝时的空气湿度在28％-32％。
21.优选的，所述纤维素纳米晶须用于颗粒污染物过滤的应用。
22.本发明提出的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：
23.1、本发明通过先将cnws悬浊液分散于dmf中，得到分散溶液，再将pvdf粉末加入至分散溶液中得到混合液，最后将混合液进行机械搅拌直到形成均匀pvdf纺丝溶液，并将pvdf纺丝溶液进行静置和除泡作业，得到待纺丝溶液，最后将待纺丝溶液倒入注射器进行纺丝，通过此方式进行纺丝前处理，绿环保无有毒有害物质产生，方法简单，易于重复。
24.2、本发明将纤维素纳米晶须用于颗粒污染物过滤，纤维素纳米晶须具有良好的机械强度和低的细胞毒性，并且含有超亲水表面，为聚偏氟乙烯/纤维素纳米晶须纤维膜的广泛应用提供了依据。
25.3、本发明制备的纤维素纳米晶须复合纤维膜呈纤维网状结构，通过改变添加纤维素纳米晶须的比例，可以改变其对颗粒污染物的过滤效率；
26.4、本发明制备的纤维素纳米晶须复合纤维膜的颗粒污染物过滤性能优异，且容尘量大重复利用性强。
附图说明
27.图1为本发明的流程框图；
28.图2为本发明的中静电纺丝过程示意图；
29.图3为本发明的其制备方法中制得各比例cnws的聚偏氟乙烯/纤维素纳米晶须纤维膜的sem图；
30.图4为本发明的制备方法制得的聚偏氟乙烯/纤维素纳米晶须纤维膜的xps谱图；
31.图5为本发明的制备方法制得各比例cnws的聚偏氟乙烯/纤维素纳米晶须纤维膜的过滤效率；
32.图6为本发明的制备方法制得cnws为3wt％的纤维膜的重复过滤性能。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发
明保护的范围。
34.实施例1
35.本发明提供了如图1所示的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，包括如下步骤：
36.s1、称取一定量的cnws悬浊液分散于dmf中，得到分散溶液；
37.其中，dmf的加入量为20ml，所述dmf设置为n,n-二甲基甲酰胺；所述cnws悬浊液为纤维素纳米晶须悬浊液，所述cnws悬浊液的ph值为6-7，所述cnws悬浊液添加的质量百分比为1％。
38.s2、称取一定量的pvdf粉末缓慢添加到的分散溶液中，得到混合液；
39.所述pvdf为聚偏氟乙烯，所述pvdf粉末的添加质量为0.8g。
40.s3、将混合液在一定温度下机械搅拌一定时间，直至形成均匀的pvdf纺丝溶液；
41.所述混合液机械搅拌的条件为：温度为50℃-55℃、搅拌时间6h-8h。
42.s4、将pvdf纺丝溶液静置至少6h进行除泡作业，得到待纺丝溶液；
43.s5、将待纺丝溶液倒入注射器中开始纺丝；
44.所述注射器纺丝的方式为静电纺丝，静电纺丝电压为18kv，静电纺丝溶液注射速率为0.6ml/h。所述注射器包括静电纺丝针尖与收集器，所述静电纺丝针尖与收集器之间的距离为20cm，所述注射器在静电纺丝时需在室温下进行，其中室温的温度设置为24℃-26℃，所述注射器在静电纺丝时的空气湿度在28％-32％。
45.纺丝过程如图2所示。制备得到的12wt％pvdf和1wt％，2wt％，3wt％以及4wt％cnws的纤维膜的sem图如图3所示。可以看出随着cnws含量的增加，纤维直径逐渐减小。但当纤维素含量为1wt％时，纤维直径分布广，纤维粗细不均，且平均直径相对于纤维素质量分数为2％，3％以及4％的纤维膜直径过大。且纤维处于卷曲状态，导致纤维膜孔隙率降低。而当纤维素质量分数为4％时，此时纤维粗细不均匀，纤维直径分布跨度大。因此，3wt％cnws是获得直径合适且均匀的纤维的最佳纺丝浓度。
46.为了进一步定性分析聚偏氟乙烯/纤维素纳米晶须纤维膜表面特征，进行了x射线光电子能谱(xps)测量。图4是聚偏氟乙烯/纤维素纳米晶须纤维膜的xps全谱图。纤维膜主要含有c、n、o和f。
47.制得各比例cnws的聚偏氟乙烯/纤维素纳米晶须复合纤维膜的过滤效率的变化曲线图如图5所示，过滤效率均随着时间的增加而提高。且随着cnws添加量的增加，过滤效率先增后减，当cnws质量分数为3％时，过滤效率达到最高。
48.所述pvdf粉末用于颗粒污染物过滤的应用，一种高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法制得cnws为3wt％的纤维膜的重复过滤性能如图6所示。
49.通过先将cnws悬浊液分散于dmf中，得到分散溶液，再将pvdf粉末加入至分散溶液中得到混合液，最后将混合液进行机械搅拌直到形成均匀pvdf纺丝溶液，并将pvdf纺丝溶液进行静置和除泡作业，得到待纺丝溶液，最后将待纺丝溶液倒入注射器进行纺丝，通过此方式进行纺丝前处理，绿环保无有毒有害物质产生，方法简单，易于重复，制备的纤维素纳米晶须复合纤维膜呈纤维网状结构，通过改变添加纤维素纳米晶须的比例，可以改变其对颗粒污染物的过滤效率，制备的纤维素纳米晶须复合纤维膜的颗粒污染物过滤性能优异，且容尘量大重复利用性强。
50.实施例2
51.相同之处不再重复赘述，与实施例1不同的是，步骤s1中所述cnws悬浊液添加的质量百分比为2％，步骤s2中所述pvdf粉末的添加质量为0.9g，本发明制备的纤维素纳米晶须复合纤维膜可改变其对颗粒污染物的过滤效率，且颗粒污染物过滤性能优异，且容尘量大重复利用性强。
52.实施例3
53.相同之处不再重复赘述，与实施例1不同的是，步骤s1中所述cnws悬浊液添加的质量百分比为3％，步骤s2中所述pvdf粉末的添加质量为1.0g；
54.将纤维素纳米晶须用于颗粒污染物过滤，纤维素纳米晶须具有良好的机械强度和低的细胞毒性，并且含有超亲水表面，为聚偏氟乙烯/纤维素纳米晶须纤维膜的广泛应用提供了依据。
55.实施例4
56.相同之处不再重复赘述，与实施例1不同的是，步骤s1中所述cnws悬浊液添加的质量百分比为4％，步骤s2中所述pvdf粉末的添加质量为1.1g。
57.综上所述，本发明采用静电纺丝法制备了高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合纤维膜，该方法操作简单、无毒害物质产生。且制备的样品具有优异的颗粒污染物过滤性能以及良好的重复过滤性能。操作安全合理，适宜推广。
58.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：s1、称取一定量的cnws悬浊液分散于dmf中，得到分散溶液；s2、称取一定量的pvdf粉末缓慢添加到的分散溶液中，得到混合液；s3、将混合液在一定温度下机械搅拌一定时间，直至形成均匀的pvdf纺丝溶液；s4、将pvdf纺丝溶液静置至少6h进行除泡作业，得到待纺丝溶液；s5、将待纺丝溶液倒入注射器中开始纺丝。2.根据权利要求1所述的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：步骤s1中所述dmf的加入量为20ml，所述dmf设置为n,n-二甲基甲酰胺。3.根据权利要求1所述的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：所述cnws悬浊液为纤维素纳米晶须悬浊液，所述cnws悬浊液的ph值为6-7，所述cnws悬浊液添加的质量百分比为1％-4％。4.根据权利要求1所述的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：步骤s2中所述pvdf为聚偏氟乙烯，所述pvdf粉末的添加质量为0.8g-1.1g。5.根据权利要求1所述的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：步骤s3中所述混合液机械搅拌的条件为：温度为50℃-55℃、搅拌时间6h-8h。6.根据权利要求5所述的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：步骤s5中所述注射器纺丝的方式为静电纺丝，静电纺丝电压为18kv，静电纺丝溶液注射速率为0.6ml/h。7.根据权利要求1所述的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：所述注射器包括静电纺丝针尖与收集器，所述静电纺丝针尖与收集器之间的距离为20cm。8.根据权利要求7所述的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：所述注射器在静电纺丝时需在室温下进行，其中室温的温度设置为24℃-26℃。9.根据权利要求8所述的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：所述注射器在静电纺丝时的空气湿度在28％-32％。10.根据权利要求1所述的高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，其特征在于：所述纤维素纳米晶须用于颗粒污染物过滤的应用。

技术总结

本发明属于膜状材料过滤颗粒污染物测量技术领域，具体公开了高效过滤颗粒污染物的纤维素纳米晶须复合膜的制备方法，通过先将CNWs悬浊液分散于DMF中，得到分散溶液，再将PVDF粉末加入至分散溶液中得到混合液，最后将混合液进行机械搅拌直到形成均匀PVDF纺丝溶液，并将PVDF纺丝溶液进行静置和除泡作业，得到待纺丝溶液，最后将待纺丝溶液倒入注射器进行纺丝，通过此方式进行纺丝前处理，绿环保无有毒有害物质产生，方法简单，易于重复，将纤维素纳米晶须用于颗粒污染物过滤，纤维素纳米晶须具有良好的机械强度和低的细胞毒性，并且含有超亲水表面，通过改变添加纤维素纳米晶须的比例，可以改变其对颗粒污染物的过滤效率。可以改变其对颗粒污染物的过滤效率。可以改变其对颗粒污染物的过滤效率。