一种多尺度纳米纤维基复合材料及其制备与应用的制作方法

本发明涉及耐高温空气过滤材料，尤其是涉及一种多尺度纳米纤维基复合材料及其制备与应用。

背景技术：

1、随着城市化与工业化进程的不断加快，人们健康意识不断增强，对高温废气排放的处理也越加慎重。高温废气中占据极大比重的污染物为直径为0.3μm的气凝胶颗粒物，传统的耐高温滤袋只能有效拦截大于1μm的污染颗粒物，因而无法对工业废气进行更进一步的处理，满足当前高精度的过滤需求。

2、因此，提供一种能够满足当前高精度的过滤需求的复合材料是至关重要的。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种多尺度纳米纤维基复合材料及其制备与应用。本发明通过静电纺丝的方法制备包含不同尺度的纳米纤维膜，即在常规尺度的纳米纤维(直径为200～500nm)其中掺杂超细尺度纳米纤维(直径为20～50nm)，并利用聚酰亚胺纳米纤维胶黏剂将不同尺度的纳米纤维进行复合，得到应用于高温过滤的多尺度纳米纤维基复合材料，这种用于高温过滤的多尺度纳米纤维基复合材料不仅可以实现更高工作温度，而且在结构上达到了多尺度过滤结构，实现了多种尺度颗粒物的梯度过滤，达到高效低阻的效果。

2、聚酰亚胺由于其高分子链独特的刚性重复结构，其电子供体与电子受体形成供给平衡，能够有效减弱热氧降解行为，可实现在330℃高温下稳定长期使用，满足高温空气过滤材料的耐高温需求。本发明证实利用静电纺丝技术制备的空隙率小、比表面积大的纳米纤维具有良好的物理吸附性能，是一种高精度空气过滤材料形式。本发明通过静电纺丝制备得到的聚酰亚胺常规尺度(200～500nm)纳米纤维层能够实现对直径为0.3μm的高温气凝胶颗粒物99％以上的过滤效果，在增加了超细尺度(20～50nm)纳米纤维层之后，在进一步实现对0.3μm的高温气凝胶颗粒物过滤效果提升至99.9％以上的同时，不会增加复合纳米纤维的总体滤阻；本发明进一步将双尺度聚酰亚胺纳米纤维膜与传统的p84针刺毡相结合使用，一方面可实现对0.3μm的高温气凝胶颗粒物的高精度过滤，另一方面可通过针刺毡对1μm颗粒物先一步的粗过滤，减少双尺度聚酰亚胺纳米纤维膜过滤压力，提高综合使用寿命，即通过这种梯度分级过滤的形式，实现从1μm颗粒物到0.3μm颗粒物的高精度高效过滤，并且提高双组分纳米纤维膜的使用寿命，降低成本。为解决纳米纤维层与针刺毡粘合牢度差，以及黏胶层高温稳定性差的问题，本发明同时提供了用于高温黏合的聚酰亚胺胶黏剂与相应的使用工艺，确保纳米纤维膜与针刺毡强力粘合，能够承受5000次及以上工业化反吹清洗，同时能够在300℃及以上高温下长期使用。

3、本发明提供的具有多尺度纳米纤维基复合材料会代替传统材料，有利于实现耐高温空气过滤材料的快速发展，对当前工业废气污染的过滤具有重要的实际意义，有着广阔的应用前景。

4、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

5、本发明的第一个目的是提供一种多尺度纳米纤维基复合材料的制备方法，包括下述步骤：

6、(s1)将二胺单体溶解后与二酐单体混匀后进行缩合反应，制备得到第一聚酰胺酸纺丝液和第二聚酰胺酸纺丝液；

7、(s2)利用步骤(s1)制备得到的第一聚酰胺酸纺丝液通过静电纺丝制备得到第一聚酰胺酸膜；

8、(s3)利用步骤(s1)制备得到的第二聚酰胺酸纺丝液以步骤(s2)制备得到的第一聚酰胺酸膜为基底通过静电纺丝制备得到复合聚酰胺酸膜；

9、(s4)对步骤(s3)制备得到的复合聚酰胺酸膜进行高温热亚酰胺化反应，制备得到聚酰亚胺纳米纤维过滤层，包括直径为15～50nm的纳米纤维(第二聚酰胺酸膜层，超细尺度纳米纤维)和直径为200～500nm的纳米纤维(第一聚酰胺酸膜层，常规尺度的纳米纤维)；

10、(s5)利用聚酰胺酸纳米纤维黏胶剂以步骤(s4)制备得到的聚酰亚胺纳米纤维过滤层为基底通过静电纺丝，制备得到复合材料前体物；

11、(s6)将步骤(s5)制备得到的复合材料前体物与聚酰亚胺针刺毡进行热压处理，然后进行高温热亚酰胺化反应，得到多尺度纳米纤维基复合材料。

12、在本发明的一个实施方式中，步骤(s1)中，所述二胺单体溶解于有机溶剂中，所述有机溶剂选自二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或n-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。

13、在本发明的一个实施方式中，步骤(s1)中，所述二胺单体选自3,4'-二氨基二苯醚、对苯二胺、4,4’-二氨基二苯基甲烷、间苯二胺、双酚a二醚二胺、六氟二胺或4,4’-亚甲基二苯胺中的一种或几种；

14、所述二酐单体选自1,2,4,5-均苯四甲酸二酐、联苯四甲酸二酐、二苯酮二酐、二苯醚二酐或对苯二酚二醚二酐中的一种或几种。

15、在本发明的一个实施方式中，步骤(s1)中，在-5～5℃进行4～10h的缩合反应，得到质量分数为10％～25％的第一聚酰胺酸纺丝液和质量分数为1％～5％的第二聚酰胺酸纺丝液。

16、在本发明的一个实施方式中，步骤(s2)中，静电纺丝过程中，正极电压为25～50kv，负极电压为0～5kv，流量为1.2～6.0ml/min，静电纺丝接收距离为16～20cm。

17、在本发明的一个实施方式中，步骤(s3)中，静电纺丝过程中，正极电压为45～60kv，负极电压为0～5kv，流量为0.6～5.0ml/min，静电纺丝接收距离为18～22cm。

18、在本发明的一个实施方式中，步骤(s4)中，高温热亚酰胺化反应过程中，温度为250～350℃，时间为1～2h。

19、在本发明的一个实施方式中，步骤(s5)中，静电纺丝过程中，正极电压为45～65kv，负极电压为0～5kv，流量为0.1～2ml/min，静电纺丝接收距离为18～25cm。

20、在本发明的一个实施方式中，步骤(s6)中，所述聚酰亚胺针刺毡为p84聚酰亚胺纤维滤料，热压过程中，温度为80～130℃，压力为0.1～2pa，时间为1～2min；高温热亚酰胺化反应的温度为250～350℃，时间为1～2h。

21、本发明的第二个目的是提供一种通过上述方法制备得到的多尺度纳米纤维基复合材料。

22、本发明的第三个目的是提供一种多尺度纳米纤维基复合材料在工业废气污染过滤中的应用。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、(1)本发明利用连续静电纺丝技术，制备的聚酰亚胺纳米纤维基过滤膜，掺杂的超细(15～50nm)尺度纳米纤维层可进一步提高过滤精度，具有过滤精度高和高效低阻的特点，具体为32l/min风速下，对0.3μm的高温气凝胶颗粒物过滤效果大于等于99.9％，过滤阻力小于等于140pa，同等过滤效率下，更低的过滤阻力有利于能耗的降低，更符合生产生活需求。

25、(2)本发明提供的纳米纤维基高温滤袋，具有超细尺度纳米纤维/常规尺度纳米纤维/针刺毡的多尺度结构，具备多种尺度颗粒物的梯度过滤性能，在降低过滤阻力的同时，可提高纳米纤维膜的使用寿命，降低成本。

26、(3)本发明提供聚酰亚胺胶黏剂，实现聚酰亚胺纳米纤维基高温材料全产品聚酰亚胺材料的覆盖，弥补了传统滤材在高温下易脱胶的缺陷。