[发明专利]碳纳米复合滤膜及其制备方法和防护装置

说明书

本发明提供了碳纳米复合滤膜及其制备方法，以及包括该复合滤膜的防护装置。上述碳纳米复合滤膜，包括第一高分子膜层，第二高分子膜层，位于所述第一高分子膜层和所述第二高分子膜层之间的碳纳米管纤维膜层，位于所述第一高分子膜层和所述碳纳米管纤维膜层之间的第一有机粘合层，以及位于所述第二高分子膜层和所述碳纳米纤维膜层之间的第二有机粘合层。与现有技术相比，本发明应用具有纳米级直径的碳纳米管(CNT)纤维膜和具有微米直径的高分子纤维膜有效熔合，实现了微米、纳米空隙的梯度结构设计，制得的碳纳米复合滤膜强度高，吸附能力强、能够有效过滤纳米级超细颗粒，且对超细颗粒的过滤效率极高。

技术领域

本发明涉及滤膜制备技术领域，特别涉及一种碳纳米复合滤膜及其制备方法，以及包括该碳纳米复合滤膜的防护装置。

背景技术

随着我们出行、居住和办公等室内场所的保温、密封性能的不断提高，室内空间内的飞沫、微生物、病毒和细菌浓度也就会大幅上升，尤其是在较近的社交距离内，我们需要采用佩戴口罩来有效阻止微生物、病毒和细菌的传播，最大限度地保证人民在室内呼吸的健康和安全。

随着工业洁净环境的大规模建设和人居新风环境的普及，高性能、低风阻的高效滤材成为上述领域控制能耗、保证空气质量安全的关键材料。

目前，国内外市场上的口罩滤材主要分为两类：一类是采用纯机械拦截型空气滤膜，如聚四氟乙烯(PTFE)滤膜，这种机械拦截型口罩装置的微米级颗粒过滤效率(PFE)高(其中PM2.5的PFE可以达到99％，实际应用中PM0.3平均PFE效率在95％左右)，这类滤膜的优点是不需要静电驻极吸附，但这种滤材的弱点是力学性能不稳定，从而空隙结构也不稳定，影响过滤的稳定性，为了保障过滤的安全性，需要把该滤材空隙做到亚微米级，所以该滤材成本较高，通常用于以粉尘过滤为主要目的应用场景。另一类是熔喷聚丙烯(PP)纤维或PP复合纤维材料构造的静电吸附型滤膜，这种静电吸附型滤膜能进行一定程度的纯机械拦截型过滤，但其机械拦截效率不高(其中PM0.3的PFE值只能达到75％，实际应用中PM0.3的平均PFE效率在55％左右)，但是，这种吸附型滤膜通过静电驻极的方式处理后，其PM0.3的PFE能够达到95％以上，但是依然很难达到PFE不小于99.97％的高标准要求。所以，市场一直在急切寻求新材料来构建过滤效率更高的、具有全滤(无机非金属颗粒和油性颗粒均具有高效过滤的能力)功能的新一代节能环保型滤材，以解决口罩行业的上述产品痛点问题，满足广大人民的健康呼吸和美好生活需求。

在工业半导体洁净间和人居新风设备领域，目前使用的高效滤材主要是纳米级玻璃纤维，该滤材过滤效率高(PM0.3的平均PFE可以达到99.9％)，但是该滤材的最大缺点是成本高，过滤阻力大，能耗高。所以在工业和人居新风领域，也在急切寻求新材料来构建过滤效率高、过滤阻力低，功能稳定的新一代节能环保型过滤材料，以解决工业洁净间和人居新风系统运行成本高的痛点问题，满足高精尖工业大规模控成本需求、以及广大人民健康呼吸和美好生活需求。

发明内容

为了解决现有技术中高效过滤装置既需要高值PFE、又需要呼吸气阻力尽量小的要素平衡问题，本发明提供了一种碳纳米复合滤膜及其制备方法，该碳纳米复合滤膜通过把具有纳米空隙及纳米厚度的碳纳米管纤维膜层与具有微米级空隙的高分子膜和有机粘合层有效熔合，实现了既具有高的过滤效率(高的PFE值)，又具有小的过滤阻力(或呼吸气阻力小)的新滤材特性。该滤材还具有结构均匀稳定，结构可设计的优点，可大批量生产和推广应用。

根据本发明的一个方面，提供一种碳纳米复合滤膜，包括第一高分子膜层、第二高分子膜层，位于所述第一高分子膜层和所述第二高分子膜层之间的碳纳米管纤维膜层，位于所述第一高分子膜层和所述碳纳米管纤维膜层之间的第一有机粘合层，以及位于所述第二高分子膜层和所述碳纳米管纤维膜层之间的第二有机粘合层。

进一步的，所述碳纳米复合滤膜中碳纳米管纤维膜层的厚度为10-100nm，空隙为1-10nm。可选地，所述碳纳米管纤维膜层为单层或多层碳纳米管叠合而成，且单层碳纳米管的厚度为3-10nm。