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CN111888837A - 用于空气净化的环保复合新材料及其制备方法 - Google Patents

用于空气净化的环保复合新材料及其制备方法 Download PDF

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CN111888837A CN202010573737.8A CN202010573737A CN111888837A CN 111888837 A CN111888837 A CN 111888837A CN 202010573737 A CN202010573737 A CN 202010573737A CN 111888837 A CN111888837 A CN 111888837A
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Abstract

本发明公开了用于空气净化的环保复合新材料及其制备方法，属于环保材料技术领域，该制备方法包括：在纳滤层进行支撑的情况下，将微滤层和初滤层设置在纳滤层表面，得到具有“三明治”结构的复合新材料；初滤层是由聚乙烯亚胺和氧化石墨自组装制备得三维石墨烯气凝胶材料；微滤层是由壳聚糖溶液通过静电纺丝制成的微米纤维层；微米纤维层在硫代乳酸和苯甲酸钠存在的条件下负载有功能陶瓷材料和活性炭；纳滤层是由壳聚糖溶液通过静电纺丝制成的纳米纤维层。本发明提供的制备方法能提升材料的过滤效率和净化效果，减缓使用中阻力压降的上升趋势，使其在清洗保养后保持良好的净化效果，增强清洗耐久性和可重复利用性能，制备成本低，能自然降解。

Description

用于空气净化的环保复合新材料及其制备方法
技术领域
本发明属于环保材料技术领域，具体涉及用于空气净化的环保复合新材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着我国城市工业化的迅猛发展，生态破坏带来的负面影响，大气污染日益严重，空气质量进一步恶化，不仅危害到人们的正常生活，而且对人们的身心健康造成危害，人们对空气净化的要求也越来越高。特别是近年来随着建筑装饰装修材料的广泛应用，各种材料释放出大量的有害物质(如：甲醛、甲苯、苯等挥发性有机污染物)严重污染了室内空气环境；空气中还含有大量的污染物颗粒，包括重金属离子的粉尘、有毒化学物质以及一些传染性微生物病毒等；室内含量远高于室外的氡气，容易导致肺癌、白血病和使人丧失生育能力等疾病。这些有害物质可刺激皮肤、粘膜以及神经系统，产生一系列的过敏症状和免疫力低下问题，甚至会产生致突变、致畸、致癌性，严重危害人体健康，降低生活质量，影响工作效率、降低人体免疫力。因此，空气净化材料收到越来越多的关注。
空气净化新材料在居家、医疗、工业领域均有应用，最主要的功能是去除空气中的颗粒物，包括过敏原、室内的PM2.5等，同时还可以解决由于装修或者其他原因导致的室内、地下空间、车内挥发性有机物空气污染问题。空气净化材料是通过物理、化学等方式吸附分解空气中的有害物质，应用空气净化材料是一种有效控制空气污染源的方式。吸附法由于具有脱除效率高、富集功能强、不会造成二次污染等优点，成为近年来治理低浓度有害气体的有效方法。
但是目前现有的空气净化材料主要是针对空气中悬浮颗粒物去除，同时兼具除甲醛、杀菌除臭等功能，然而对空气中的重金属污染物的去处效果不佳。而且大多数空气净化材料在过滤PM2.5、亚微米粉尘、特别是纳米级颗粒净化方面具有很大的不足，其过滤效率还有待提高；并且这些空气净化材料都是一次性用品，在用过后会变成大量的生活垃圾，令本已脆弱的环境雪上加霜。
因此，提高空气净化材料的综合净化能力，扩大空气净化复合材料的应用范围，且具有可重复利用和吸附量高的环保复合新材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有不同孔隙相结合的“三明治”结构，能提升过滤效率和净化效果，减缓使用中阻力压降的上升趋势，能在清洗保养后保持良好的净化效果，增强清洗耐久性和可重复利用性能，制备成本低，能自然降解的环保复合新材料的制备方法。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：
一种环保复合新材料的制备方法，包括：在纳滤层进行支撑的情况下，将微滤层和初滤层设置在上述纳滤层表面，得到具有“三明治”结构的复合新材料；
上述初滤层是由聚乙烯亚胺和氧化石墨自组装制备得三维石墨烯气凝胶材料；
上述微滤层是由壳聚糖溶液通过静电纺丝制成的微米纤维层；上述微米纤维层在硫代乳酸和苯甲酸钠存在的条件下负载有功能陶瓷材料和活性炭；
上述纳滤层是由壳聚糖溶液通过静电纺丝制成的纳米纤维层；上述纳米纤维层纤维中掺杂有二氧化硅粒子；上述纳米纤维层的纤维直径为80～350nm；上述二氧化硅粒子的粒径为20～50nm。
上述制备方法采用不同孔隙相结合的多层结构，能进一步提升复合新材料的过滤效率和净化效果，减缓材料在使用过程中阻力压降的上升趋势，并在清洗保养后仍保持良好的净化效果，表现出优异的清洗耐久性和可重复利用性能，制备成本低，产物绿色环保且可自然降解，适用于工业大规模生产。
对本发明而言，聚乙烯亚胺和氧化石墨烯的重量比为5～15:1；上述聚乙烯亚胺的平均分子量为3000～3500Da。
对本发明而言，初滤层的组装条件为：温度为75～85，℃反应时间为1～2h；上述初滤层是由组装所得水凝胶在-45～-60℃的条件下冷冻真空干燥得到。初滤层能拦截空气中的大颗粒悬浮物，还具有耐油、耐酸碱的特性。
对本发明而言，制备微滤层和纳滤层的基液是浓度为6～12wt％的壳聚糖溶液；上述微米纤维层的厚度为5～100μm，上述纳米纤维层的厚度为50～150μm。以壳聚糖制成纤维，使得所得材料能自然降解，符合绿色环保的理念，还能利用壳聚糖的抗菌性能，使得复合新材料也具有抗菌抑菌效果。
对本发明而言，功能陶瓷材料中包括：35～50wt％的电气石超细粉、10～15wt％的稀土氧化物和35～55wt％的过渡金属氧化物；上述过渡金属氧化物的组成为50～65wt％的Fe2O3、20～35wt％的MnO2、15～30wt％的CuO。更优选的，电气石为铁电气石、镁电气石、锂电气石中的至少一种；稀土氧化物为氧化铈或氧化镧。功能陶瓷材料能使得复合新材料具有释放负离子、提供远红外辐射性能、防氡和抗菌功能等。
对本发明而言，硫代乳酸和苯甲酸钠的介入量分别占功能陶瓷材料重量的0.05～0.15％和0.03～0.2％。两者在混合体系中能使得功能陶瓷材料和活性炭粒子间团聚现象不明显，从而使得功能陶瓷材料和活性炭在纤维层上分布均匀，并且利用有机官能团能提供与纤维层更强的键合力，使得无机粒子和纤维层牢固结合，不易脱落，使得复合新材料具有持久的净化能力，并在清洗保养后吸附颗粒仍大量保存而使得材料的净化效果保持良好，表现出优异的清洗耐久性和可重复利用性能；同时分布均匀的无机粒子还能使纤维层中大孔隙含量减少，从而使新材料对细微颗粒的吸附效果提高，减缓功能材料分布不均导致材料在使用过程中阻力压降的上升趋势，进而提高产品的净化效果。
对本发明而言，功能陶瓷材料和活性炭经喷涂和-60～-70℃的冷冻真空干燥负载于微米纤维层上；上述功能陶瓷材料和活性炭的重量比为1:2～5。
对本发明而言，纳滤层制备用纺丝液中壳聚糖和二氧化硅重量比为1.5～3:1。
本发明的另一个目的在于提供上述的制备方法制得的一种环保复合新材料，上述复合新材料由进气端至出气端顺序排列为初滤层、微滤层和纳滤层；上述复合新材料具有“三明治”结构。该复合新材料具有净化空气、抗菌抑菌、增加负离子、改善氡气含量等环保功能，对有毒气体如PM2.5、甲醛、乙醛等表现出优异的吸附性能，甲醛和PM2.5的有效去除率不低于97％，重金属有效去除率不低于75％，负离子释放量不低于1200个/cm3，还能过滤净化空气中的杂质、微米和纳米级颗粒，有效地吸收有害重金属离子，并且生产成本低，净化过滤效率高，清洗保养后净化效果保持好，表现出优异的清洗耐久性和可重复利用性能。
本发明的再一个目的在于提供上述的制备方法制得的一种环保复合新材料在制备空气净化材料中的用途。该复合新材料中功能陶瓷材料、活性炭和二氧化硅固着于纤维层中，能吸附气体中的各种污染物(如PM2.5、甲醛、粉尘等)和有毒有害物质(如重金属、氡气等)，有效提高纤维层的净化过滤效果；因此能直接用作空气净化材料，也能加工成具有健康环保功能的空调过滤网材、空气净化器或吸尘器网材、交通运输工具过滤网材等。
本发明由于采用了不同孔隙相结合的“三明治”结构，因而具有如下有益效果：1)该制备方法能进一步提升复合新材料的过滤效率和净化效果，减缓材料在使用过程中阻力压降的上升趋势，并在清洗保养后仍保持良好的净化效果，表现出优异的清洗耐久性和可重复利用性能，制备成本低，适用于工业大规模生产；2)该复合新材料具有净化空气、抗菌抑菌、增加负离子、改善氡气含量等环保功能，还表现出耐油和耐酸碱的特性，甲醛和PM2.5的有效去除率不低于97％，重金属有效去除率不低于75％，负离子释放量不低于1200个/cm3，还能自然降解，符合绿色环保的理念；3)该材料用于制备空气净化材料，能解决现有技术中存在净化颗粒可重复利用率低，净化效率不高的问题，对PM2.5、甲醛、粉尘、重金属、氡气等均具有净化效果。
因此，本发明是具有不同孔隙相结合的“三明治”结构，过滤效率和净化效果高，使用中阻力压降的上升趋势缓慢，清洗耐久性和可重复利用性能优异，能自然降解的用于空气净化的环保复合新材料及其制备方法。
附图说明
图1为不同环保复合新材料的过滤阻力压降与过滤效率示意图，A-实施例1，B-对比例1，C-对比例2，D-对比例3；
图2为不同环保复合新材料的抗紫外老化性能测试结果；
图3为环保复合新材料的在不同预处理条件下的过滤稳定性测定结果。
具体实施方式
以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：
一种环保复合新材料的制备方法，包括：在纳滤层进行支撑的情况下，将微滤层和初滤层设置在上述纳滤层表面，得到具有“三明治”结构的复合新材料；
上述初滤层是由聚乙烯亚胺和氧化石墨自组装制备得三维石墨烯气凝胶材料；
上述微滤层是由壳聚糖溶液通过静电纺丝制成的微米纤维层；上述微米纤维层在硫代乳酸和苯甲酸钠存在的条件下负载有功能陶瓷材料和活性炭；
上述纳滤层是由壳聚糖溶液通过静电纺丝制成的纳米纤维层；上述纳米纤维层纤维中掺杂有二氧化硅粒子；上述纳米纤维层的纤维直径为80～350nm；上述二氧化硅粒子的粒径为20～50nm。上述制备方法采用不同孔隙相结合的多层结构，能进一步提升复合新材料的过滤效率和净化效果，减缓材料在使用过程中阻力压降的上升趋势，并在清洗保养后仍保持良好的净化效果，表现出优异的清洗耐久性和可重复利用性能，制备成本低，产物绿色环保且可自然降解，适用于工业大规模生产。
上述聚乙烯亚胺和氧化石墨烯的重量比为5～15:1；上述聚乙烯亚胺的平均分子量为3000～3500Da。
上述初滤层的组装条件为：温度为75～85，℃反应时间为1～2h；上述初滤层是由组装所得水凝胶在-45～-60℃的条件下冷冻真空干燥得到。初滤层能拦截空气中的大颗粒悬浮物，还具有耐油、耐酸碱的特性。
更具体的，初滤层的制备步骤如下：将氧化石墨烯固体在水中超声分散1～1.5h，得到浓度为2.5～3.5g/L的悬浮液，然后将聚乙烯亚胺加入到悬浮液中形成混合溶液，然后将混合溶液在75～85℃条件下反应1～2h得到水凝胶，然后将水凝胶冲洗后，在温度为-45～-60℃条件下冻干12～24h，然后在-45～-60℃条件下真空干燥，即得由石墨烯片层组装而成的三维石墨烯气凝胶材料。
上述制备微滤层和纳滤层的基液是浓度为6～12wt％的壳聚糖溶液；上述微米纤维层的厚度为5～100μm，上述纳米纤维层的厚度为50～150μm。以壳聚糖制成纤维，使得所得材料能自然降解，符合绿色环保的理念，还能利用壳聚糖的抗菌性能，使得复合新材料也具有抗菌抑菌效果。
更优选的，壳聚糖溶液中还包括0～3wt％的功能提取物。功能提取物的实例包括但不限于具有气味芳香或驱蚊作用的薄荷、紫苏、薰衣草等植物的提取物或精油。
上述壳聚糖溶液的溶剂是浓度为40～60wt％的乙酸水溶液，上述壳聚糖溶液中还含有1.5～6.5wt％的聚氧化乙烯。聚氧化乙烯用于调节壳聚糖溶液的粘度，能增强纤维层对微米和纳米级污染物的吸附能力，增强复合新材料的空气净化效果。
上述静电纺丝的操作条件如下：外加电压为18～30Kv，注射速率为0.5～1mL/h，接收距离为10～20cm，时间为0.5～6h。
上述功能陶瓷材料中包括：35～50wt％的电气石超细粉、10～15wt％的稀土氧化物和35～55wt％的过渡金属氧化物；上述过渡金属氧化物的组成为50～65wt％的Fe2O3、20～35wt％的MnO2、15～30wt％的CuO。更优选的，电气石为铁电气石、镁电气石、锂电气石中的至少一种；稀土氧化物为氧化铈或氧化镧。功能陶瓷材料能使得复合新材料具有释放负离子、提供远红外辐射性能、防氡和抗菌功能等。
更具体的，功能陶瓷材料的制备步骤如下：取各原料混合，球磨1～2h，干燥后，于750～950℃下焙烧1.5～3h后，冷却，研磨过200目筛，即得。
上述硫代乳酸和苯甲酸钠的介入量分别占功能陶瓷材料重量的0.05～0.15％和0.03～0.2％。两者在混合体系中能使得功能陶瓷材料和活性炭粒子间团聚现象不明显，从而使得功能陶瓷材料和活性炭在纤维层上分布均匀，并且利用有机官能团能提供与纤维层更强的键合力，使得无机粒子和纤维层牢固结合，不易脱落，使得复合新材料具有持久的净化能力，并在清洗保养后吸附颗粒仍大量保存而使得材料的净化效果保持良好，表现出优异的清洗耐久性和可重复利用性能；同时分布均匀的无机粒子还能使纤维层中大孔隙含量减少，从而使新材料对细微颗粒的吸附效果提高，减缓功能材料分布不均导致材料在使用过程中阻力压降的上升趋势，进而提高产品的净化效果。
上述功能陶瓷材料和活性炭经喷涂和-60～-70℃的冷冻真空干燥负载于微米纤维层上；上述功能陶瓷材料和活性炭的重量比为1:2～5。
更具体的，微滤层制备步骤如下：将功能陶瓷材料和活性炭置于乙酸丁酯中搅拌均匀，然后添加硅胶、硫代乳酸和苯甲酸钠，搅拌至混合液均匀，将混合液喷涂在微米纤维层上，再于-60～-70℃的冷冻干燥机中预冻10～14h，然后在-60～-70℃温度下真空干燥14～16h，即得微滤纤维层。上述硅胶和乙酸丁酯的添加量分别为功能陶瓷材料重量的5～10倍和20～30倍。
上述纳滤层制备用纺丝液中壳聚糖和二氧化硅重量比为1.5～3:1。
更具体的，纳滤层制备步骤如下：向纳米级二氧化硅粒子中按重量比1:1～2:1～2的比例加入异丙醇和去离子水，乳化搅拌30～60min，乳化机的转速为5000～7000r/min，得到二氧化硅悬浮液，然后按照壳聚糖和二氧化硅重量比为1.5～3:1的比例加入壳聚糖溶液，混合均匀，然后用加热式磁力搅拌器加热至80～90℃保温3～5h，搅拌速度为250～400rpm，得到纳滤层纺丝液，静电纺丝得到纳米纤维层。
另一种优化的实施方案为：纳滤层制备用纺丝液中还含有0.03～0.15wt％的乙胺丁醇和0.05～0.3wt％的水杨醛。两者能与壳聚糖间产生氢键作用力，并与壳聚糖间产生物理缠绕，避免了纳米纤维间的过度混杂，降低纤维层的微孔密集度，能降低纤维层的初始阻力压降，有利于延长纤维层和新材料的使用寿命，并表现出抗紫外老化性能，在紫外加速老化3000h后过滤效率的保持率在85％以上；另外还能使纤维层在高湿度、高温和低温条件下过滤效率仍能保持在95％以上，表现出优异的过滤稳定性能，扩展复合新材料的使用范围。
上述的制备方法制得的一种环保复合新材料，上述复合新材料由进气端至出气端顺序排列为初滤层、微滤层和纳滤层；上述复合新材料具有“三明治”结构。该复合新材料具有净化空气、抗菌抑菌、增加负离子、改善氡气含量等环保功能，对有毒气体如PM2.5、甲醛、乙醛等表现出优异的吸附性能，甲醛和PM2.5的有效去除率不低于97％，重金属有效去除率不低于75％，负离子释放量不低于1200个/cm3，还能过滤净化空气中的杂质、微米和纳米级颗粒，有效地吸收有害重金属离子，并且生产成本低，净化过滤效率高，清洗保养后净化效果保持好，表现出优异的清洗耐久性和可重复利用性能。
上述的制备方法制得的一种环保复合新材料在制备空气净化材料中的用途。该复合新材料中功能陶瓷材料、活性炭和二氧化硅固着于纤维层中，能吸附气体中的各种污染物(如PM2.5、甲醛、粉尘等)和有毒有害物质(如重金属、氡气等)，有效提高纤维层的净化过滤效果；因此能直接用作空气净化材料，也能加工成具有健康环保功能的空调过滤网材、空气净化器或吸尘器网材、交通运输工具过滤网材等。
在本发明中，如果没有特别地说明，所采用的溶液都是在常规条件下制备的，比如在室温下将物质溶解在水溶液中制备得到的。
在本发明中，如果没有特别地说明，所采用的装置、仪器、设备、材料、工艺、方法、步骤、制备条件等都是本领域常规采用的或者本领域普通技术人员按照本领域常规采用的技术可以容易地获得的。
应当理解，前面的描述应被认为是说明性或示例性的而非限制性的，特别地，本发明覆盖了具有来自上文和下文上述的不同实施方式的特征的任何组合的其他实施方式，而本发明的范围并不限制于在以下具体实例中。
实施例1：
一种环保复合新材料的制备方法，包括以下具体步骤：
1)将氧化石墨烯固体在水中超声分散1h得到浓度为3g/L的悬浮液，然后将聚乙烯亚胺加入到悬浮液中形成混合溶液，然后将混合溶液在85℃条件下反应2h得到水凝胶，然后将水凝胶冲洗后，在温度为-50℃条件下冻干24h，然后在-50℃条件下真空干燥，即得三维石墨烯气凝胶材料，即初滤层，上述混合溶液中聚乙烯亚胺的平均分子量为3000Da，聚乙烯亚胺和氧化石墨烯的重量比为13.5:1；
2)将壳聚糖和聚氧化乙烯混合，然后加入浓度为50wt％的乙酸水溶液，搅拌溶解，制成静电纺丝用基液，备用，上述基液中壳聚糖和聚氧化乙烯含量分别为8.5wt％和3.5wt％；
3)取各原料混合，球磨2h，干燥后，于800℃下焙烧2.5h后，冷却，研磨过200目筛，即得功能陶瓷材料；上述功能陶瓷材料中包括：45wt％的电气石超细粉、10wt％的稀土氧化物和45wt％的过渡金属氧化物，电气石为铁电气石，稀土氧化物为氧化铈，过渡金属氧化物的组成为55wt％的Fe2O3、20wt％的MnO2、25wt％的CuO；
4)采用静电纺丝工艺制得厚度为80μm的微米纤维层，然后将功能陶瓷材料和活性炭置于乙酸丁酯中搅拌均匀，然后添加硅胶、硫代乳酸和苯甲酸钠，搅拌至混合液均匀，将混合液喷涂在微米纤维层上，再于-60℃的冷冻干燥机中预冻12h，然后在-60℃温度下真空干燥15h，即得微滤纤维层；上述功能陶瓷材料和活性炭的重量比为1:4.5，上述硅胶和乙酸丁酯的添加量分别为功能陶瓷材料重量的8.5倍和26.5倍，上述硫代乳酸和苯甲酸钠的介入量分别占功能陶瓷材料重量的0.1％和0.05％，上述静电纺丝的操作条件如下：外加电压为23Kv，注射速率为1mL/h，接收距离为18cm，时间为3.5h；
5)向纳米级二氧化硅粒子中按重量比1:1.5:2的比例加入异丙醇和去离子水，在转速为6000r/min的乳化机中乳化搅拌60min，得到二氧化硅悬浮液，然后按照壳聚糖和二氧化硅重量比为3:1的比例加入壳聚糖溶液，混合均匀，然后用搅拌速度为400rpm的加热式磁力搅拌器加热至85℃保温3.5h，，得到纳滤层纺丝液，静电纺丝得到厚度为60μm的纳米纤维层，上述静电纺丝的操作条件如下：外加电压为23Kv，注射速率为0.8mL/h，接收距离为16cm，时间为2.5h；
6)将初滤层、微滤层和纳滤层按照由进气端至出气端顺序排列，压制，即得具有“三明治”结构的环保复合新材料。
实施例2：
一种环保复合新材料的制备方法，其他步骤与实施例1一致，区别仅在于：步骤5)纳滤层制备用纺丝液中还含有0.05wt％的乙胺丁醇和0.25wt％的水杨醛。
对比例1：
一种环保复合新材料的制备方法，其他步骤与实施例1一致，区别仅在于：步骤4)喷涂在微米纤维层上的混合液中含有硫代乳酸，不含有苯甲酸钠，硫代乳酸的介入量占功能陶瓷材料重量的0.1％。
对比例2：
一种环保复合新材料的制备方法，其他步骤与实施例1一致，区别仅在于：步骤4)喷涂在微米纤维层上的混合液中含有苯甲酸钠，不含有硫代乳酸，苯甲酸钠的介入量占功能陶瓷材料重量的0.05％。
对比例3：
一种环保复合新材料的制备方法，其他步骤与实施例1一致，区别仅在于：步骤4)喷涂在微米纤维层上的混合液中不含有苯甲酸钠和硫代乳酸。
对比例4：
一种环保复合新材料的制备方法，其他步骤与实施例2一致，区别仅在于：步骤5)纳滤层制备用纺丝液中还含有0.05wt％的乙胺丁醇，不含有水杨醛。
对比例5：
一种环保复合新材料的制备方法，其他步骤与实施例2一致，区别仅在于：步骤5)纳滤层制备用纺丝液中还含有0.25wt％的水杨醛，不含有乙胺丁醇。
试验例1：
环保复合新材料的净化效果测试
试验样品：实施例1、2所制环保复合新材料为试验组1、2，活性炭为对照组1，某市售PP熔喷无纺布滤材为对照组2，以不放置任何吸附样品为空白组。
1)甲醛及PM2.5去除率检测方法如下：分别设置1m3的密封玻璃柜中，玻璃柜的空气中甲醛浓度为2.0ppm；并在密封玻璃柜里放上烟雾发生器，产生烟雾，开启风扇使柜中气体混合均匀趋于平衡，关闭风扇后，保证密封玻璃柜里的PM2.5的浓度为200mg/m3；将相同克重50g的各试验样品分别放置在含有甲醛和PM2.5混合污染物的密封玻璃柜中2h，取出，测量玻璃柜的空气中的甲醛和PM2.5的浓度值；并计算甲醛有效去除率和PM2.5的有效去除率；去除率计算公式为：y＝(CA-CB)/CA×100％，其中CA为空白组甲醛/PM2.5的浓度值，CB为3h后各试验组和对照组甲醛/PM2.5的浓度值，每个样品测试3次取平均值。结果如表1。
表1环保复合新材料的甲醛及PM2.5去除率测试结果
Figure BDA0002550571700000091
结果显示，试验组甲醛和PM2.5的有效去除率不低于97％，优于对照组；且试验组2的去除率均高于试验组1，说明实施例2所制环保复合新材料表现出更优异的净化效率和效果。
2)对不同污染物的净化性能检测：按照试验例1的1)的测定方法进行检测，通过烟雾发生器向玻璃柜的空气中分别充入不同污染物，污染物分别为氨气、乙醛、乙酸中的一种，污染物的初始浓度均为90mg/L，在15min后使用气相色谱仪分析污染物的浓度，计算有效去除率，每个样品测试3次取平均值。结果如下表2。
表2环保复合新材料的净化性能测试结果
Figure BDA0002550571700000092
结果显示，试验组对氨气、乙醛、乙酸均具有净化效果，且有效去除率不低于94％，优于对照组；试验组2的去除率均高于试验组1，说明实施例2所制环保复合新材料表现出更优异的净化效率和效果。
3)重金属去除能力测定：在电镀厂附近采集重金属污染严重的气体样品，然后将采集的重金属污染严重的气体样品置于1m3的密闭容器中，密闭容器中放置有各试验样品，放置量均为50g，接触时间为1h，分别检测采集的气体样品中的重金属含量以及经复合新材料处理后的气体中的重金属含量，其中重金属的检测采用电感耦合等离子体发射光谱法，每个样品测试3次取平均值。检测结果如下表3。
表3环保复合新材料的重金属去除率测试结果
Figure BDA0002550571700000101
结果显示，试验组对空气中的铅、锰、铬元素均具有净化效果，且有效去除率不低于80％，均优于对照组；试验组2的去除率略高于试验组1，说明实施例2所制环保复合新材料表现出更优异的净化效率和效果。
试验例2：
环保复合新材料的过滤阻力压降和抗紫外老化性能测定
1)过滤阻力压降与过滤效率测定：取实施例1和对比例1-3所制环保复合新材料为样品，采用LCZ-K1型滤料综合性能测试台测试材料的空气过滤效率和过滤阻力压降，测试环境的温度为28℃，湿度为35％，将复合新材料裁剪成适当大小，标准测试面积为100cm2，尘源使用NaCl气溶胶，流量设置为90L/min，每个样品测试5次取平均值。阻力压降表示过滤材料上游进气口和下游出气口的压力差，体现了气流穿过滤材的难易状态。结果如图1所示。
图1为不同环保复合新材料的过滤阻力压降与过滤效率示意图，A-实施例1，B-对比例1，C-对比例2，D-对比例3。有图可知，实施例1的阻力压降在过滤期间上升最缓慢，在过滤效率达到80％以上才大幅增加，达到过滤平衡状态时的过滤效率为99.3％；对比例3的阻力压降上升最快，过滤效率达到50％以上就迅速增加，因此最晚达到过滤平衡状态，达到过滤平衡状态时的过滤效率为93.9％；对比例1和2相差不明显，对比例1的过滤效率最大值最低，达到过滤平衡状态时的过滤效率仅为93.4％，对比例2的过滤效率为95.1％；综上可知，不同的复合新材料在使用过程中阻力压降表现出不同程度的增长幅度，原因可能是实施例1中苯甲酸钠和硫代乳酸介入的制备方法使得功能陶瓷材料和活性炭粒子间团聚现象不明显，且在纤维层上分布均匀，使纤维层中大孔隙含量减少，从而使新材料对细微颗粒的吸附效果提高，减缓功能材料分布不均导致材料在使用过程中阻力压降的上升趋势，进而提高产品的净化效果。
2)抗紫外老化性能测定：取实施例1、2和对比例4、5所制环保复合新材料为样品，某市售PP熔喷无纺布滤材为对照组。按照试验例2的1)的方法测定材料的过滤效率和初始过滤阻力压降，然后采用紫外加速老化试验机进行加速试验，老化时间为3000h，结束后再次测定材料的过滤效率，每个样品测试5次取平均值。结果如图2、表4所示。
表4为环保复合新材料的初始过滤阻力压降测定结果
实施例1 实施例2 对比例4 对比例5 对照组
阻力压降(Pa) 29.5 18.3 26.5 25.3 28.5
图2为不同环保复合新材料的抗紫外老化性能测试结果。
结果显示，老化试验后各材料的过滤效率存在不同程度的下降，其中实施例2下降幅度最低，过滤效率由99.3％下降至85.4％，过滤效率的保持率达到86.0％，初始过滤阻力压降最低；实施例1和对比例4差异不明显，过滤效率的保持率分别为76.2％和76.8％；对比例5和对照组差异不明显，过滤效率的保持率分别为72.6％和73.5％；综上可知，实施例2的复合新材料具有最低的初始过滤阻力压降，且紫外加速老化3000h后过滤效率的保持率在85％以上，说明实施例2中乙胺丁醇和水杨醛介入的制备方法使得纳米纤维间纤维避免了过度混杂，降低了纤维层的微孔密集度，能降低纤维层的初始阻力压降，并表现出抗紫外老化性能，在紫外加速老化3000h后过滤效率的保持率在85％以上，有利于延长纤维层和新材料的使用寿命。
试验例3：
环保复合新材料的清洗耐久性能测定
试验方法：取实施例1和对比例1-3所制环保复合新材料为样品，某市售PP熔喷无纺布滤材为对照组。按照试验例1的1)的测定方法进行净化试验，再将经净化测试后的各样品于pH为9的水溶液中洗涤5次后，再次置于甲醛浓度为2.0ppm，PM2.5为200mg/m3的体积为1m3的密封玻璃柜中，测量使用2h后的甲醛去除率和PM2.5的去除率，每个样品测试3次取平均值。结果如表5。
表5环保复合新材料的清洗耐久性能测定结果
Figure BDA0002550571700000121
结果显示，经清洗后，材料对甲醛和PM2.5的去除率均有不同程度的下降，其中实施例1下降幅度最小，原因可能是实施例1中苯甲酸钠和硫代乳酸介入的制备方法使得功能陶瓷材料和活性炭粒子间团聚现象不明显，且在纤维层上分布均匀，能提供与纤维层更强的键合力，使得无机粒子和纤维层牢固结合，不易脱落，使得复合新材料具有持久的净化能力，并在清洗保养后吸附颗粒仍大量保存而使得材料的净化效果保持良好，表现出优异的清洗耐久性和可重复利用性能。
试验例4：
环保复合新材料的过滤稳定性测定
试验方法：取实施例1、2和对比例4、5所制环保复合新材料为样品，某市售PP熔喷无纺布滤材为对照组。按照试验例2的1)的方法测定材料的过滤效率，材料在测试前进行不同的预处理方式，具体如下：1)在28℃和湿度85％的环境下放置24h后，使样品恢复至室温，自然干燥，测试；2)在75℃干燥环境中放置24h后，使样品恢复至室温，测试；3)在-30℃干燥环境中放置24h后，使样品恢复至室温，测试。结果如图3。
图3为环保复合新材料的在不同预处理条件下的过滤稳定性测定结果。结果显示，实施例2的复合新材料经过高湿、高温、低温预处理后的过滤效率变化最小，过滤效率均高于95％，而对照组的过滤效率呈现剧烈下降的情况，实施例1和对比例的下降程度较对照组低；说明实施例2中乙胺丁醇和水杨醛介入的制备方法使得纤维层在高湿度、高温和低温条件下过滤效率仍能保持在95％以上，表现出优异的过滤稳定性能，扩展复合新材料的使用范围。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种环保复合新材料的制备方法，包括：在纳滤层进行支撑的情况下，将微滤层和初滤层设置在所述纳滤层表面，得到具有“三明治”结构的复合新材料；
所述初滤层是由聚乙烯亚胺和氧化石墨自组装制备得三维石墨烯气凝胶材料；
所述微滤层是由壳聚糖溶液通过静电纺丝制成的微米纤维层；所述微米纤维层在硫代乳酸和苯甲酸钠存在的条件下负载有功能陶瓷材料和活性炭；
所述纳滤层是由壳聚糖溶液通过静电纺丝制成的纳米纤维层；所述纳米纤维层纤维中掺杂有二氧化硅粒子；所述纳米纤维层的纤维直径为80～350nm；所述二氧化硅粒子的粒径为20～50nm。
2.根据权利要求1所述的一种环保复合新材料的制备方法，其特征是：所述聚乙烯亚胺和氧化石墨烯的重量比为5～15:1；所述聚乙烯亚胺的平均分子量为3000～3500Da。
3.根据权利要求1所述的一种环保复合新材料的制备方法，其特征是：所述初滤层的组装条件为：温度为75～85℃，反应时间为1～2h；所述初滤层是由组装所得水凝胶在-45～-60℃的条件下冷冻真空干燥得到。
4.根据权利要求1所述的一种环保复合新材料的制备方法，其特征是：所述制备微滤层和纳滤层的基液是浓度为6～12wt％的壳聚糖溶液；所述微米纤维层的厚度为5～100μm，所述纳米纤维层的厚度为50～150μm。
5.根据权利要求1所述的一种环保复合新材料的制备方法，其特征是：所述功能陶瓷材料中包括：35～50wt％的电气石超细粉、10～15wt％的稀土氧化物和35～55wt％的过渡金属氧化物；所述过渡金属氧化物的组成为50～65wt％的Fe2O3、20～35wt％的MnO2、15～30wt％的CuO。
6.根据权利要求1所述的一种环保复合新材料的制备方法，其特征是：所述硫代乳酸和苯甲酸钠的介入量分别占功能陶瓷材料重量的0.05～0.15％和0.03～0.2％。
7.根据权利要求1所述的一种环保复合新材料的制备方法，其特征是：所述功能陶瓷材料和活性炭经喷涂和-60～-70℃的冷冻真空干燥负载于微米纤维层上；所述功能陶瓷材料和活性炭的重量比为1:2～5。
8.根据权利要求1所述的一种环保复合新材料的制备方法，其特征是：所述纳滤层制备用纺丝液中壳聚糖和二氧化硅重量比为1.5～3:1。
9.权利要求1～8任一项所述的制备方法制得的一种环保复合新材料，所述复合新材料由进气端至出气端顺序排列为初滤层、微滤层和纳滤层；所述复合新材料具有“三明治”结构。
10.权利要求1～8任一项所述的制备方法制得的一种环保复合新材料在制备空气净化材料中的用途。
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