本技术涉及空气过滤领域,具体涉及一种低成本快速批量制备ZIF‑8/聚丙烯熔喷布纤维膜的方法。本发明是针对现有在聚丙烯熔喷布表面生长ZIF‑8以提高空气过滤性能的方法存在成本高、制备时间长、工艺复杂等问题,提供一种低成本快速批量制备ZIF‑8/聚丙烯熔喷纤维膜的方法。首先用无机碱水溶液预处理聚丙烯熔喷布表面,再在超声条件下,将熔喷布先后放入锌离子水溶液和2‑甲基咪唑/N,N‑二甲基甲酰胺混合水溶液并烘干,制得ZIF‑8/聚丙烯熔喷纤维膜。该制备方法以水为主要溶剂,在水中加入少量N,N‑二甲基甲酰胺的方法,就实现了在较小的2‑甲基咪唑和六水合硝酸锌的摩尔比下在聚丙烯熔喷布上快速生长,从而适于大规模工业生产以用于空气过滤。
背景技术
空气中的污染物质如PM2.5、甲醛、挥发性有机化合物以及细菌、病毒等微生物的含量不断上升,对人类健康构成了严重威胁,而普通的非织造材料功能相对单一。沸石咪唑酯骨架材料-8(ZIF-8)作为金属有机框架的一种,因其独特的结构和性能,在空气过滤领域展现出巨大的潜力:具有超高的比表面积,丰富的微孔结构能吸附空气中各类污染物分子;在不同温湿度条件下都表现出卓越的耐受性,确保长时间稳定发挥过滤效能;相对容易制备与改性。将ZIF-8负载于聚丙烯熔喷布上,可以拓宽聚丙烯熔喷布的使用范围,同时也解决了ZIF-8回收困难的问题。
目前已经有大量研究尝试将ZIF-8在基材上生长用于工业化生产,但由于其工艺复杂、制备时间长、成本高而仅仅局限于实验研究阶段。目前溶液浸渍法长ZIF-8是一种较常见的方法。中国专利CN118788058A公开了一种通过聚多巴胺辅助,使非织造材料表面在水溶液中原位生长ZIF-8的方法。其虽然将聚多巴胺的反应时间缩短至40~150分钟,但仍不满足产业化需求。中国专利CN202410934122.1将织物浸入2-甲基咪唑水溶液,室温下搅拌并缓慢加入锌源水溶液,清洗烘干,得到表面长有ZIF-L/ZIF-8纳米棒的织物。类似的,中国专利CN118807483A该方法不使用额外的粘合剂,但ZIF-8和织物属于物理结合,稳定性较差;有机配体溶液与金属离子溶液直接通过混合进行反应,浪费原料。中国专利CN117867861A将经过盐酸多巴胺/强碱溶液预处理后的非织造材料在超声条件下先在锌离子水溶液中浸泡再在2-甲基咪唑水溶液中浸泡,快速生长ZIF-8。其虽然用常温浸渍法实现了在非织造材料表面快速生长ZIF-8,但由于必须保证较大的2-甲基咪唑和六水合硝酸锌的摩尔比,大量过量的2-甲基咪唑造成原料的浪费,生产成本相对较高。
N,N-二甲基甲酰胺由于其大分子尺寸,对金属离子的亲和力和结构导向能力较强,能诱导锌离子成核,ZIF-8更容易形成十二面体三维立体结构, 促进ZIF-8在基材上的生长。N,N-二甲基甲酰胺已经用于在基材上生长ZIF-8进行改性,例如Sile Ren等人发表的论文“An industrial synthesis method of Zeolitic Imidazolate Framework-8-basedcomposites for formaldehyde adsorption application”将二水醋酸锌和2-甲基咪唑在水溶液中以1:4的摩尔比混合,再加入N,N-二甲基甲酰胺合成ZIF-8晶体,然后在硅胶上生长。Sun等发表的论文“Preparation of the Carbonized Zif-8@PAN Nanofiber Membranefor Cadmium Ion Adsorption”将氧化锌/聚丙烯腈纳米纤维膜浸入浓度为1%的N,N-二甲基甲酰胺和2-甲基咪唑混合溶液中,并在高压反应釜内腔中100℃下反应7h,并80℃真空干燥2h,得到ZIF-8/聚丙烯腈纳米纤维膜。Guozhen Liu等人发表的论文 “Confined-Coordination Induced Intergrowth of Metal-Organic Framework into PreciseMolecular Sieving Membranes”使用一种限制配位诱导的互生长策略,使膜表面无晶格缺陷的金属有机框架,以实现精确的分子分离。通过控制金属有机框架前驱体的反扩散,调控其空间性质(大小和形状)和环境(水或N,N-二甲基甲酰胺)来减缓配位反应速率,从而使金属有机框架晶体相互生长成集成膜。中国专利CN115434148A在聚丙烯腈的N,N-二甲基甲酰胺溶液中溶解六水合硝酸锌,静电纺丝得到的纤维膜烘干即得锌离子/聚丙烯腈纳米纤维膜。将纤维膜加入2-甲基咪唑甲醇溶液进行微波反应,洗涤烘干后即得ZIF-8/聚丙烯腈复合纳米纤维膜。该工艺通过静电纺丝法制备,有些ZIF-8晶体被包覆纤维内部,无法完全发挥ZIF-8的独特优势。中国专利CN117085647A在混有活性炭和N,N-二甲基甲酰胺的悬浮液中加六水合硝酸锌、2-甲基咪唑和溶剂(乙醇和去离子水按1:1的体积比混合的乙醇溶液)反应得到ZIF-8活性炭复合材料。将该复合材料加入过氧化氢溶液和聚丙烯非织造布,浸泡烘干得到改性后的ZIF-8/聚丙烯非织造纤维膜。该工艺复杂,制备周期较长。该方法所使用的溶剂中有机溶剂占比较高,并直接将有机配体溶液与金属离子溶液混合使纤维表面原位生长ZIF-8,造成原料的浪费,成本较高。中国专利CN114247307A将阻聚剂(三乙胺或吡啶)和2-甲基咪唑溶液混合,形成预聚体胶体,随后加入锌离子的N,N-二甲基甲酰胺溶液,反应得到预聚体胶体溶液,进行离心浓缩并涂覆在基底材料上在室温下挥发得到生长有ZIF-8的膜。该方法虽然能控制ZIF-8功能层的厚度,但由于用到离心浓缩的步骤,反应步骤较复杂,难以产业化应用。中国专利CN118240385A将碳纳米管膜在无机碱或强酸溶液中室温下预处理后浸泡于醋酸锌溶液中,洗涤并干燥。随后将干燥的碳纳米管膜浸泡于2-甲基咪唑溶液中,洗涤并干燥,制得ZIF-8/碳纳米管柔性复合材料。该方法能够生长一层较为致密的ZIF-8,且具有较好的晶相与均匀性,但需要在锌离子溶液中的浸渍12~24h,在有机配体溶液中的浸渍10~90min,反应时间较长;2-甲基咪唑溶液的溶剂由体积比为5~25:75~95的水和包含N,N-二甲基甲酰胺在内的有机溶剂混合形成,溶剂中有机溶剂占比过高导致原料成本较高。因此,需要一种反应速度更快,成本更低的方法,使ZIF-8在基材上稳定生长。
实现思路