专利名称：纳米纤维防护过滤材料及其制备方法
技术领域：
本发明是纳米纤维防护材料及其制备方法，属于防护材料制备的技术领域。
背景技术：
防护材料可以采用天然纤维或合成织物，还可以采用无纺布，棉纱口罩是最常见的防护颗粒等进入呼吸道的材料，医用口罩常用无纺布制成，纤维的直径为20微米左右，纤维之间的孔径较大，对细颗粒的过滤效果不太好。
防护衣常由无纺布制成，同样纤维之间的孔径较大。一种防护材料是纤维织物中夹入塑料薄膜材料等，赋予保暖功能。由不透气塑料薄膜材料制成的防护衣穿着使人不适。
在口罩中加入活性炭夹层可以提高阻隔小颗粒的效果，但对阻隔气溶胶的效果较差。
另一种防护材料是纤维织物中加入杀菌添加剂等，赋予防护材料杀菌等功能。
又一种防护材料是纤维织物中加入抗红外辐射剂和抗紫外辐射剂剂等，赋予防护材料特殊功能。
上述防护材料或采用普通纤维材料，纤维直径较粗。对阻隔极细粒子或气溶胶的效果较差。
所以，有必要研制一类纤维材料直径小，可以有效阻隔极细粒子或气溶胶的防护材料。
发明内容
1、技术问题本发明的目的是提供一种强度高，对极细粒子和气溶胶阻隔性能好且透气性能好的纳米纤维防护材料及其制备方法。
2、技术方案本发明的纳米纤维防护过滤材料及其制备方法。该材料为层状结构，中间层是高分子纳米纤维膜材料，纳米纤维直径为10纳米-3000纳米，外层分别是一层或多层天然纤维或合成纤维或两者的混纺纤维的编织物或无纺布，纤维直径为1微米-100微米。
中间层高分子纳米纤维膜材料可以由两层或多层构成，至少一层高分子纳米纤维膜的纳米纤维直径为10纳米-1000纳米，至少一层高分子纳米纤维膜的纳米纤维直径为300纳米-3000纳米。外层分别悬一层或多层天然纤维或合成纤维或两者的混纺纤维，纤维直径为1微米-100微米。
中间层高分子材料是以下材料中的一种或多种聚烯烃，聚酯，聚酰胺，聚醚，卤代聚合物，聚丙烯腈，聚醋酸乙烯，聚乙烯醇，聚丙烯酸类，聚酰亚胺，聚苯醚，聚对苯二甲酸对苯二胺，聚间苯二甲酸间苯二胺，聚苯硫醚，聚氨酯，环氧树脂，酚醛树脂，脲醛树脂。或是聚-L-乳酸、聚-(D，L)-乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯、聚酸酐、聚氨基酸，壳聚糖、透明质酸、硫酸软骨素、胶原、角叉胶、海藻酸、明胶、葡聚糖、纤维蛋白、丝蛋白中。或是上述两种或多种的共混物。或者是至少以下两种单体的共聚物L-乳酸、D，L-乳酸、羟基乙酸、己内酯、丁内酯、戊内酯。
外层纤维是棉纤维，麻纤维，真丝纤维，蛋白纤维，壳聚糖纤维。或是聚酯纤维，聚酰胺纤维，聚烯烃纤维，聚醚纤维，聚丙烯腈纤维，聚醋酸乙烯纤维，聚乙烯醇纤维，聚乙烯醇缩甲醛纤维，聚酰亚胺纤维，聚对苯二甲酸对苯二胺纤维，聚间苯二甲酸阀苯二胺纤维，聚苯醚纤维，聚苯硫醚纤维，聚乳酸纤维，或是各种共聚物纤维。
纳米纤维防护材料还含有一种或多种以下添加剂磁性材料、导电材料、抗生素、抗菌剂、杀菌剂、香精、香料，添加剂含量小于10％。
纳米纤维防护材料的制备方法是将一种或多种高分子材料溶于溶剂或分散于溶剂中成为透明溶液或混合物，添加剂分散在上述溶液中，或将一种或多种高分子材料熔融，得到电纺原料，然后加入到一个或多个储罐中，通过注射泵和导管连接到两个或多个喷射头。喷射头接高压电场，电压为1千伏～120千伏。接受部分是一层纤维材料，并置于导电网或板之上，导电网或板接地。然后在电场中进行静电纺丝，得到高分子纳米纤维膜材料。在高分子纳米纤维层表面叠加一层或多层普通高分子纤维材料，经裁剪或热处理等后加工工序，或与添加剂混合，得到纳米纤维防护材料。喷射头连接的高压电场是高压正电场、高压负电场或高压交流电场。
一种纳米纤维防护材料的制备方法是将一种或多种高分子材料溶于溶剂或分散于溶剂中成为透明溶液或混合物，添加剂分散在上述溶液中，或将一种或多种高分子材料熔融，得到电纺原料，然后加入到一个或多个储罐中，通过注射泵和导管连接到两个或多个喷射头。喷射头接高压电场，电压为3千伏～120千伏。接受部分是一层纤维材料，并置于导电网或板之上，导电网或板接地。然后在电场中进行静电纺丝，得到结构不同的两层或多层高分子纳米纤维膜材料。在高分子纳米纤维层表面叠加一层或多层普通高分子纤维材料，经裁剪或热处理等后加工工序，或与添加剂混合，得到纳米纤维防护材料。
3、有益效果本发明与现有技术相比，具有如下优点(1)本发明提供的是纳米纤维防护过滤材料及其制备方法。
(2)本发明提供的纳米纤维过滤防护材料及其制备方法具有加工工艺简单的特征。采用电纺工艺得到超细纤维复合材料，经后加工，得到各种防护材料。
(3)本发明提供的纳米纤维防护过滤材料及其制备方法采用电纺工艺得到超细纤维，与普通纤维材料复合，得到各种防护材料，具有较高的强度。
(4)本发明提供的纳米纤维防护过滤材料及其制备方法采用电纺工艺得到超细纤维，与普通纤维材料复合，得到各种防护材料，对极细粒子或气溶胶具有高效阻隔性能。纳米纤维防护材料阻隔0.3微米气溶胶的效率达到96％以上。
(5)本发明提供的纳米纤维防护过滤材料及其制备方法，将抗菌剂等功能性添加剂加入到体系中采用电纺工艺得到超细纤维，与普通纤维材料复合，得到各种防护材料，不仅对极细粒子或气溶胶具有高效阻隔性能和很好的透气性能，且具有特殊的功能，如抗菌功能等。
(6)本发明提供的纳米纤维防护过滤材料及其制备方法，由两个或多个喷头采用电纺工艺得到结构和过滤效率不同的两层或多层超细纤维膜，与普通纤维材料复合，得到各种高阻隔防护材料，对极细粒子或气溶胶具有高效阻隔性能。纳米纤维防护材料阻隔0.3微米气溶胶的效率达到99％以上。
具体实施例方式
本发明的纳米纤维防护过滤材料及其制备方法。该材料为层状结构，中间层是高分子纳米纤维膜材料，纳米纤维直径为10纳米-3000纳米，外层分别是一层或多层天然纤维或合成纤维或两者的混纺纤维的编织物或无纺布，纤维直径为1微米-100微米。
中间层高分子纳米纤维膜材料可以由两层或多层构成，至少一层高分子纳米纤维膜的纳米纤维直径为10纳米-1000纳米，至少一层高分子纳米纤维膜的纳米纤维直径为300纳米-3000纳米。外层分别是一层或多层天然纤维或合成纤维或两者的混纺纤维，纤维直径为1微米-100微米。纳米纤维防护过滤材料阻隔0.3微米气溶胶的效率达到98％以上。
中间层高分子材料是以下材料中的一种或多种聚烯烃，聚酯，聚酰胺，聚醚，卤代聚合物，聚丙烯腈，聚醋酸乙烯，聚乙烯醇，聚丙烯酸类，聚酰亚胺，聚苯醚，聚对苯二甲酸对苯二胺，聚间苯二甲酸间苯二胺，聚苯硫醚，聚氨酯，环氧树脂，酚醛树脂，脲醛树脂。或是聚-L-乳酸、聚-(D，L)-乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯、聚酸酐、聚氨基酸，壳聚糖、透明质酸、硫酸软骨素、胶原、角叉胶、海藻酸、明胶、葡聚糖、纤维蛋白、丝蛋白中。或是上述两种或多种的共混物。或者是至少以下两种单体的共聚物L-乳酸、D，L-乳酸、羟基乙酸、己内酯、丁内酯、戊内酯。
外层纤维是棉纤维，麻纤维，真丝纤维，蛋白纤维，壳聚糖纤维。或是聚酯纤维，聚酰胺纤维，聚烯烃纤维，聚醚纤维，聚丙烯腈纤维，聚醋酸乙烯纤维，聚乙烯醇纤维，聚乙烯醇缩甲醛纤维，聚酰亚胺纤维，聚对苯二甲酸对苯二胺纤维，聚间苯二甲酸间苯二胺纤维，聚苯醚纤维，聚苯硫醚纤维，聚乳酸纤维，或是各种共聚物纤维。
纳米纤维防护材料还含有一种或多种以下添加剂磁性材料、导电材料、抗生素、抗菌剂、杀菌剂、香精、香料，添加剂含量小于10％。
纳米纤维防护材料的制备方法是将一种或多种高分子材料溶于溶剂或分散于溶剂中成为透明溶液或混合物，添加剂分散在上述溶液中，或将一种或多种高分子材料熔融，得到电纺原料，然后加入储罐中，通过注射泵和导管连接到两个或多个喷射头，喷射头接高压电场，电压为1千伏～120千伏。接受部分是一层纤维材料，并置于导电网或板之上，导电网或板接地。然后在电场中进行静电纺丝，得到高分子纳米纤维膜材料。在高分子纳米纤维层表面叠加一层或多层普通高分子纤维材料，经裁剪或热处理等后加工工序，或与添加剂混合，得到纳米纤维防护材料。与一个或多个喷射头连接的是单一电纺混合物或多种电纺混合物。喷射头连接的高压电场是高压正电场，高压负电场，高压交流电场。
一种纳米纤维防护材料的制备方法是将一种或多种高分子材料溶于溶剂或分散于溶剂中成为透明溶液或混合物，添加剂分散在上述溶液中，或将一种或多种高分子材料熔融，得到电纺原料，然后加入到一个或多个储罐中，通过注射泵和导管连接到两个或多个喷射头。喷射头接高压电场，电压为1千伏～120千伏。接受部分是一层纤维材料，并置于导电网或板之上，导电网或板接地。然后在电场中进行静电纺丝，得到结构不同的两层或多层高分子纳米纤维膜材料。在高分子纳米纤维层表面叠加一层或多层普通高分子纤维材料，经裁剪或热处理等后加工工序，或与添加剂混合，得到纳米纤维防护材料。
本发明所提出的纳米纤维防护材料可以用于防护口罩，防护衣，防护帐篷，还可以用于空调过滤器等过滤材料等。
例如，将1克重均分子量约为13万的聚L-乳酸溶于10ml丙酮中，配成10％(质量分数)的高分子溶液，搅拌24小时，然后加入储罐1中。再将1克重均分子量约为13万的聚L-乳酸溶于10ml二甲基甲酰胺中，配成10％(质量分数)的高分子溶液，搅拌24小时，然后加入储罐2中。储罐1通过注射泵和导管连接到喷射头，喷射头接高压电场，接收物是尼龙纤维布，尼龙纤维布下方是铜网，铜网接地，喷射头与接收物间距离控制在5cm左右，溶液流速6ml/h，电压为10千伏，进行电纺，得到纳米纤维膜材料。将储罐2通过注射泵和导管连接到又一喷射头，喷射头接高压电场，接收物是上面的纳米纤维膜材料，喷射头与接收物间距离控制在5cm左右，溶液流速1ml/h，电压为10千伏，进行电纺，得到双层纳米纤维膜材料，在上层叠加一层尼龙纤维布，得到产品。该材料对300纳米颗粒的阻隔率为99.9999％。
例如，将2克尼龙6溶于20ml甲酸中，配成10％(质量分数)的高分子溶液，通过注射泵和导管连接到喷射头，喷射头接高压正电场，接收物是聚酯纤维网，纤维网的下方是铜网，铜网接地，喷射头与接收物间距离控制在6cm左右，溶液流速3ml/h，电压为10kv左右，进行电纺，得到一层尼龙6纳米纤维膜。再将2克聚苯乙烯溶于20ml丙酮中，配成10％(质量分数)的溶液，通过注射泵和导管连接到喷射头，喷射头接高压正电场，接收物是上述尼龙6纳米纤维膜，溶液流速6ml/h，电压为10kv左右，进行电纺，得到双层纳米纤维膜。在上层叠加一层聚酯纤维网，得到纳米纤维防护材料。实施例3纳米纤维防护材料的制备聚氧乙烯加热熔融成熔体，通过注射泵和导管连接到喷射头，喷射头接高压电场，接收物是聚酯纤维网，纤维网的下方是铜网，铜网接地，喷射头与接收物间距离控制在10cm左右，电压为15kv左右，进行电纺。得到聚氧乙烯纳米纤维膜。再将1克重均分子量约为13万的聚L-乳酸溶于10ml二甲基甲酰胺中，配成10％(质量分数)的高分子溶液，搅拌24小时，然后加入储罐中，通过注射泵和导管连接到喷射头，喷射头接高压电场，接收物是上述聚氧乙烯纳米纤维，溶液流速1ml/h，电压为10千伏，进行电纺，得到双层纳米纤维膜材料，在上层叠加一层聚酯纤维网，得到纳米纤维防护材料。
纳米纤维防护材料的制备5克聚碳酸酯溶于30毫升二氯甲烷中，通过注射泵和导管连接到6个喷射头，喷射头接高压正电场，喷射头与接收物间距离控制在6cm左右，接收物是尼龙纤维网，纤维网的下方是铜网，铜网接地，电压为10kv左右，进行电纺，得到聚碳酸酯纳米纤维膜。将5克尼龙6溶于50ml甲酸中，配成10％(质量分数)的高分子溶液，通过注射泵和导管连接到6个喷射头，喷射头接高压正电场，接收物是上述聚苯乙烯纳米纤维，溶液流速3ml/h，电压为10kv左右，进行电纺，得到双层纳米纤维膜。在上层叠加一层尼龙纤维布，得到纳米纤维防护材料。
实施例8将0.5克重均分子量为13万聚L-乳酸和0.5克分子量10万的聚氧乙烯溶于10ml二甲基甲酰胺中，配成10％(质量分数)的高分子溶液，混合物加入到储罐中，并用导管连接到喷射头，喷射头接高压正电场，喷射头与接收物间距离控制在5cm左右，接收物是尼龙纤维网，纤维网的下方是铜网，铜网接地，溶液流速6ml/h，电压为10kv左右，进行电纺。得到聚L-乳酸和聚氧乙烯共混物纳米纤维膜。将0.5克重均分子量为10万聚D，L-乳酸溶于10ml二甲基甲酰胺中，配成10％(质量分数)的高分子溶液，并用导管连接到喷射头，喷射头接高压正电场，喷射头与接收物间距离控制在5cm左右，接收物是上述共混物纳米纤维膜，溶液流速1ml/h，电压为10kv左右，进行电纺，得到双层纳米纤维膜。在上层叠加一层尼龙纤维布，得到产品。实施例9将0.5克重均分子量为13万聚L-乳酸和0.5克分子量10万的聚氧乙烯溶于10ml二甲基甲酰胺中，配成10％(质量分数)的高分子溶液，加入0.01克庆大酶素，混合物加入到储罐中，并用导管连接到喷射头，喷射头接高压正电场，喷射头与接收物间距离控制在5cm左右，接收物是尼龙纤维网，纤维网的下方是铜网，铜网接地，溶液流速6ml/h，电压为10kv左右，进行电纺。得到含庆大酶素聚L-乳酸和聚氧乙烯共混物纳米纤维膜。将0.5克重均分子量为10万聚D，L-乳酸溶于10ml二甲基甲酰胺中，配成10％(质量分数)的高分子溶液，并用导管连接到喷射头，喷射头接高压正电场，喷射头与接收物间距离控制在5cm左右，接收物是上述共混物纳米纤维膜，溶液流速1ml/h，电压为10kv左右，进行电纺，得到含庆大酶素的双层纳米纤维膜。在上层叠加一层尼龙纤维布，得到产品。
权利要求
1.一种纳米纤维防护过滤材料，其特征在于该材料为层状结构，中间层是高分子纳米纤维膜材料，纳米纤维直径为10纳米-3000纳米，外层分别是一层或多层天然纤维或合成纤维或两者的混纺纤维的编织物或无纺布，纤维直径为1微米-100微米。
2.根据权利要求1所述的纳米纤维防护过滤材料，其特征在于中间层高分子纳米纤维膜材料由两层或多层构成，至少一层高分子纳米纤维膜的纳米纤维直径为10纳米-1000纳米，至少一层高分子纳米纤维膜的纳米纤维直径为300纳米-3000纳米。
3.根据权利要求1所述的纳米纤维防护过滤材料，其特征在于高分子纳米纤维膜材料是以下材料中的一种或多种聚烯烃，聚酯，聚酰胺，聚醚，卤代聚合物，聚丙烯腈，聚醋酸乙烯，聚乙烯醇，聚丙烯酸类，聚酰亚胺，聚苯醚，聚对苯二甲酸对苯二胺，聚间苯二甲酸间苯二胺，聚苯硫醚，聚氨酯，环氧树脂，酚醛树脂，脲醛树脂；或是聚-L-乳酸、聚-(D，L)-乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚丁内酯、聚戊内酯、聚酸酐、聚氨基酸，壳聚糖、透明质酸、硫酸软骨素、胶原、角叉胶、海藻酸、明胶、葡聚糖、纤维蛋白、丝蛋白中；或是上述两种或多种的共混物；或者是至少以下两种单体的共聚物L-乳酸、D，L-乳酸、羟基乙酸、己内酯、丁内酯、戊内酯。
4.根据权利要求1所述的纳米纤维防护过滤材料，其特征在于外层纤维是棉纤维，麻纤维，真丝纤维，蛋白纤维，壳聚糖纤维；或是聚酯纤维，聚酰胺纤维，聚烯烃纤维，聚醚纤维，聚丙烯腈纤维，聚醋酸乙烯纤维，聚乙烯醇纤维，聚乙烯醇缩甲醛纤维，聚酰亚胺纤维，聚对苯二甲酸对苯二胺纤维，聚间苯二甲酸间苯二胺纤维，聚苯醚纤维，聚苯硫醚纤维，聚乳酸纤维，或是各种共聚物纤维。
5.根据权利要求1所述的纳米纤维防护过滤材料，其特征在于该防护材料还含有一种或多种以下添加剂磁性材料、导电材料、抗生素、抗菌剂、杀菌剂、香精、香料，添加剂含量小于10％。
6.一种纳米纤维防护过滤材料的制备方法，其特征在于制备方法为将一种或多种高分子材料溶于溶剂或分散于溶剂中成为透明溶液或混合物，添加剂分散在上述溶液中，或将一种或多种高分子材料熔融，得到电纺原料，然后加入到一个或多个储罐中，通过注射泵和导管连接到两个或多个喷射头，喷射头接高压电场，电压为1千伏～120千伏；接受部分是一层纤维材料，并置于导电网或板之上，导电网或板接地；然后在电场中进行静电纺丝，得到高分子纳米纤维膜材料；在高分子纳米纤维层表面叠加一层或多层普通高分子纤维材料，经裁剪或热处理等后加工工序，或与添加剂混合，得到纳米纤维防护材料。
7.根据权利要求6所述的纳米纤维防护过滤材料制备方法，其特征在于制备方法为将一种或多种高分子材料溶于溶剂或分散于溶剂中成为透明溶液或混合物，添加剂分散在上述溶液中，或将一种或多种高分子材料熔融，得到电纺原料，然后加入到一个或多个储罐中，通过注射泵和导管连接到两个或多个喷射头；喷射头接高压电场，电压为1千伏～120千伏；接受部分是一层纤维材料，并置于导电网或板之上，导电网或板接地；然后在电场中进行静电纺丝，得到结构不同的两层或多层高分子纳米纤维膜材料；在高分子纳米纤维层表面叠加一层或多层普通高分子纤维材料，经裁剪或热处理等后加工工序，或与添加剂混合，得到纳米纤维防护材料。
8.根据权利要求6所述的纳米纤维防护过滤材料制备方法，其特征在于与一个或多个喷射头连接的是单一电纺混合物或多种电纺混合物。
全文摘要
纳米纤维防护材料及其制备方法是一种防护材料及其制备方法，该材料为层状结构，中间层是高分子纳米纤维膜材料，纳米纤维直径为10纳米－3000纳米，外层分别是一层或多层天然纤维或合成纤维或两者的混纺纤维的编织物或无纺布，纤维直径为1微米－100微米。制备方法为将一种或多种高分子材料溶于溶剂或分散于溶剂中成为透明溶液或混合物，添加剂分散在上述溶液中，或将一种或多种高分子材料熔融，得到电纺原料，然后加入到一个或多个储罐中，通过注射泵和导管连接到两个或多个喷射头，喷射头接高压电场，得到高分子纳米纤维膜材料在高分子纳米纤维层表面叠加一层或多层普通高分子纤维材料，经裁剪或热处理等后加工工序，得到纳米纤维防护材料。
文档编号B01D39/02GK1460534SQ0313158
公开日2003年12月10日 申请日期2003年5月28日 优先权日2003年5月28日
发明者李新松, 姚琛, 浦跃朴 申请人:东南大学