本發(fā)明屬于空氣過濾納米纖維膜材料領(lǐng)域，具體涉及一種摻雜煙葉fi蛋白的復(fù)合納米纖維空氣過濾膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工業(yè)化的持續(xù)加速不可避免地帶來環(huán)境的破壞，加速空氣中可吸入空氣中的顆粒物、揮發(fā)性有機(jī)化合物和溫室氣體的增多。細(xì)顆粒物(pm)可通過呼吸過程進(jìn)入人體，威脅人體健康。根據(jù)世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布的致癌物清單初步整理參考，室外空氣污染在一類致癌物清單中。為解決傳統(tǒng)的空氣過濾材料存在的不足，要求應(yīng)用于空氣過濾領(lǐng)域的高性能納米纖維膜具有過濾效率高，空氣阻力低，比表面積大、孔隙率高(可達(dá)80％以上)、低克重值、穩(wěn)定性好等特點，可以更有效地消除空氣中的顆粒污染。

2、目前，負(fù)責(zé)去除pm的濾網(wǎng)的核心功能層主要是由無紡布或超細(xì)玻璃纖維纖維制成的，受其比表面積的限制，過濾時顆粒物沉積堵塞，阻力增大，耗能隨之增加。此外，玻璃纖維較脆，在加工和使用過程中極易斷裂，影響使用。濾膜的使用壽命和防塵吸塵能力逐漸無法滿足實際需求，所以具有較小纖維直徑、高比表面積的靜電紡納米纖維膜受到了廣泛的關(guān)注。

3、為了滿足材料功能化的要求，靜電紡絲技術(shù)可以提供一種簡單、高效易調(diào)控的工藝來制造高性能空氣過濾納米纖維。pvdf、pes和pva等是常見的膜材料，但是這些聚合物單獨使用或共混使用，制備的產(chǎn)品存在過濾效率差、克重高、穩(wěn)定差等缺陷。

4、我國是煙草種植大國,種植面積大概133×104hm2左右，年產(chǎn)量大約為240×104t，均居世界首位。在煙草種植和加工過程中產(chǎn)生了大量的低次煙葉、煙梗、煙末和煙籽等煙草廢棄物，約占煙葉總產(chǎn)量的25％。目前對這些廢棄物的綜合利用途徑非常少，綜合利用程度非常低，絕大部分作為廢物而被丟棄，同時對環(huán)境造成了很大的污染。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種摻雜煙葉fi蛋白的復(fù)合納米纖維空氣過濾膜及其制備方法，通過添加fi蛋白，與聚合物相結(jié)合，通過靜電紡絲得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和性能良好的納米級纖維修飾的高性能空氣過濾膜，具有過濾效率高、比表面積大的納米纖維膜，高效過濾空氣污染物，且具有較高的穩(wěn)定性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種摻雜煙葉fi蛋白的復(fù)合納米纖維空氣過濾膜，空氣過濾膜的原料包括：聚合物、fi蛋白，纖維的直徑范圍230-780nm，克重6-50g/m2。

3、優(yōu)選地，聚合物為聚偏氟乙烯(pvdf)、聚醚砜(pes)、聚乙烯醇(pva)中的一種或幾種任意比例混合。

4、由于聚乙烯醇的疏水性不佳，聚乙烯醇是一種親水聚合物，如果不提高其疏水能力，會導(dǎo)致制備的膜表面纖維缺陷出現(xiàn)孔洞，導(dǎo)致過濾效率大大降低，通過添加煙葉fi蛋白，蛋白中的氨基酸與聚乙烯醇中羥基結(jié)合，提高成膜性，從而提高疏水性，有利于制備納米纖維過濾膜，進(jìn)一步提高了過濾效率；fi蛋白中的氨基酸種類齊全，fⅰ蛋白中各種必需氨基酸含量均高于fao所制定的標(biāo)準(zhǔn),其中賴氨酸、精氨酸、組氨酸、谷氨酸等為極性帶電荷氨基酸，除此之外，fⅰ蛋白還包含許多如非極性、疏水性的基團(tuán)，帶電基團(tuán)的增加使得吸附能力增強(qiáng)，這使得添加fⅰ蛋白的納米纖維膜吸附顆粒物的能力增強(qiáng)，對pm2.5有較高的過濾效率。

5、進(jìn)一步優(yōu)選地，聚合物為聚偏氟乙烯時，pvdf：fi蛋白＝20.5-34.5:0.25-2.5；聚合物為聚醚砜時，pes：fi蛋白＝23-25:0.1-5；聚合物為聚乙烯醇時，pva：fi蛋白＝13-14.5:0.2-2；聚合物為聚偏氟乙烯和聚醚砜兩種混合物時，pvdf:pes：fi蛋白＝11.5-14:11.5-14:0.2-2.5。

6、進(jìn)一步優(yōu)選地，在使用聚醚砜之前，需要先將其干燥。因為聚醚砜的吸水性比較大，干燥極為重要，不干燥會使紡絲難度增加，粘度變化破壞穩(wěn)定性和流動性；纖維形態(tài)異常，不均勻電荷導(dǎo)致纖維呈珠狀或斷裂；吸水后拉伸困難，降低收集效率；性能下降，表面粗糙，影響外觀和性能。

7、本發(fā)明空氣過濾膜中創(chuàng)造性的提出加入fi蛋白，一方面解決了煙草廢棄物的浪費和污染的問題，另一方面提高了空氣過濾膜疏水性、穩(wěn)定性以及過濾效率效果。本發(fā)明添加fi蛋白后，與pva、pes、pvdf分別發(fā)生不同的作用，由于聚乙烯醇的疏水性不佳，聚乙烯醇(pva)是一種親水聚合物，如果不提高其疏水能力，會導(dǎo)致膜表面纖維缺陷出現(xiàn)孔洞，導(dǎo)致過濾效率大大降低，通過添加煙葉fi蛋白，蛋白中的氨基酸與聚乙烯醇中羥基結(jié)合，提高成膜性，從而提高疏水性，進(jìn)一步提高了過濾效率；將fi蛋白整合到pes中，利用其肽鏈的n端的自由α-氨基(-nh2)和c端的自由α-羧基(-cooh)，通過在pes中引入羧基、氨基或其他極性基團(tuán)，可以提高材料的成膜性和穩(wěn)定性；fⅰ蛋白還包含許多如非極性、疏水性和親水性的基團(tuán)，如羧基(-cooh)、酰胺基團(tuán)(-conh2)和胺(-nh2和-nh3+)，這使得添加fⅰ蛋白后pvdf的納米纖維膜穩(wěn)定性更好；fⅰ蛋白中各種必需氨基酸含量較高，高于fao制定的蛋白制品中的必須氨基酸含量的標(biāo)準(zhǔn)，其中賴氨酸、精氨酸、組氨酸、谷氨酸為極性帶電荷氨基酸，fⅰ蛋白包含的許非極性、疏水性和親水性的基團(tuán)，都使得納米纖維膜吸附顆粒物的能力增強(qiáng)，對pm2.5有較高的過濾效率。

8、一種摻雜煙葉fi蛋白的復(fù)合納米纖維空氣過濾膜的制備方法，包括如下步驟：

9、(1)將聚合物溶解于溶劑中，加熱攪拌，消除氣泡，冷卻至室溫后添加fi蛋白，形成均勻穩(wěn)定的紡絲溶液；

10、(2)使用步驟(1)中紡絲溶液進(jìn)行靜電紡絲，得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和性能良好的復(fù)合納米纖維空氣過濾膜。

11、優(yōu)選地，紡絲溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12-25％。

12、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟(1)中溶劑為n,n-二甲基乙酰胺(dmac)、丙酮(ace)中的一種或任意比例兩種；溶劑為n,n-二甲基乙酰胺和丙酮的混合物，以重量比計，n,n-二甲基乙酰胺:丙酮＝70：30。利用ace沸點低、揮發(fā)速度快的特點，使用dmac與ace的混合溶液能夠加速溶劑在紡絲過程中的揮發(fā),得到的纖維均勻，可以有效避免串珠和膜斑的產(chǎn)生。

13、更為優(yōu)選地，以重量比計，當(dāng)聚合物為聚偏氟乙烯(pvdf)時，pvdf：n,n-二甲基乙酰胺:丙酮＝(20.5-34.5):70：30；pes：n,n-二甲基乙酰胺＝(23-25):(73-76.8)；pva：n,n-二甲基乙酰胺＝(13-14.5):100；pvdf:pes：n,n-二甲基乙酰胺:丙酮＝(11.5-14):(11.5-14):70:30。

14、優(yōu)選地，步驟(2)中，靜電紡絲條件為：紡絲時間4-6h，溫度21-28℃，濕度50-75％。進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟(2)中，紡絲條件：紡絲電壓10-15kv，接收距離8-15cm，供液速率0.002-0.010ml/min，滾筒轉(zhuǎn)速為12rpm。

15、在聚合物紡絲溶液中添加fi蛋白對靜電紡絲的條件有較大的影響，因為fi蛋白的物理化學(xué)特性，如溶解性、表面活性和電荷特性，都會改變?nèi)芤旱牧髯冃袨楹蛯?dǎo)電性，從而影響靜電紡絲過程，最終會影響產(chǎn)品的性能。發(fā)明人經(jīng)過不斷的探究，不斷優(yōu)化和調(diào)整工藝參數(shù)，使紡絲過程正常進(jìn)行，制備出性能優(yōu)異的過濾膜。本發(fā)明通過提高溫度，降低濕度，加速溶劑的揮發(fā)和纖維的固化，有利于成膜，溫度和濕度過高或過低則會破壞纖維的均勻性，影響纖維轉(zhuǎn)變；溫度過高，導(dǎo)致溶劑過快揮發(fā)，使纖維表面不均勻，出現(xiàn)珠狀或蜂巢狀結(jié)構(gòu)，影響纖維的形態(tài)和質(zhì)量，而溫度過低，溶劑揮發(fā)緩慢，纖維固化時間長，導(dǎo)致纖維直徑不均勻，影響成膜效果；降低濕度，有助于加速溶劑的揮發(fā)，干燥的空氣可以更快地帶走蒸發(fā)的溶劑分子，濕度過高，空氣中的水蒸氣可能會與溶劑競爭蒸發(fā)，減慢溶劑的揮發(fā)速率，影響纖維的形成和均勻性；靜電紡絲的原理是通過電場力將紡絲溶噴射成許多極細(xì)的纖維，電壓的大小直接影響液滴表面的電荷量以及與電場之間的相互作用力大小，在其他紡絲條件相同的情況下，電壓過低時，聚合物電離不完全，纖維出現(xiàn)串珠形態(tài)，電壓過高時，纖維拉伸強(qiáng)烈，伴隨分叉劈裂的現(xiàn)象；紡絲時間和供液速率是影響納米纖維膜克重的主要原因，通過控制時長和速度來達(dá)到控制膜每平方米的質(zhì)量，如紡絲時間長，供液速率高，則可以得到克重高，較為厚實的納米纖維膜，紡絲時間短，供液速率低，則可以得到克重低，較薄的納米纖維膜。

16、優(yōu)選地，fi蛋白的提取方法為：浸提、熱沉、離心、干燥。該方法簡單，易于操作，可以有效地從低次煙葉、煙梗、煙末和煙籽等煙草廢棄物中提取fi蛋白。

17、進(jìn)一步優(yōu)選地，fi蛋白的提取方法：充分粉碎煙葉，粉碎的煙葉與磷酸緩沖溶液混合、攪拌，要求ph值為7.0-8.0，料液比為1:10-15，充分勻漿，冷藏5-6h浸提，用200目紗布過濾料液，調(diào)ph為8.0，熱沉溫度為40-60℃，0.5-1h，冷卻至室溫，離心、洗滌、干燥得到fi蛋白。

18、本發(fā)明的有益效果如下：

19、(1)將低次煙葉、煙梗、煙末和煙籽等煙草廢棄物中的fi蛋白提取、利用，有效的利用資源，變廢為寶，避免了環(huán)境的污染，創(chuàng)造社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

20、(2)fi蛋白的添加，提高了成膜性、疏水性、穩(wěn)定性，提高空氣過濾膜的吸附效果。

21、(3)fi蛋白的合理比例的添加，避免了紡錘體的產(chǎn)生，有利于靜電紡絲工藝。

22、(4)選擇合適的溶劑，使得得到的纖維均勻，可以有效避免串珠和膜斑的產(chǎn)生。

23、(5)利用靜電紡絲技術(shù)制備的空氣過濾膜具有納米級的纖維直徑，克重低，且可調(diào)控纖維的直徑和形狀，這使得它們在過濾(吸附)性能上具有顯著的優(yōu)勢，可以有效地攔截空氣中的顆粒物，對于霧霾、pm2.5等微粒具有很好的過濾效果。