高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料及其制备方法技术

技术编号:19442729 阅读:54 留言:0更新日期:2018-11-14 15:34
本发明专利技术公开了高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料及其制备方法;纳米精细过滤层、微米支撑初级过滤层和保护面层;微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层交互叠加,设置在两层保护面层之间;纳米精细过滤层具有网格结构,由平面基体纤维层和锥体结构组成,其中锥体结构的尖端与网格基体纤维层间的纤维形成沿尖端和平面基体纤维层的取向结构;本发明专利技术未加电过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9‑99.999%,其压力降为130‑300Pa;加电处理的过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9‑99.999%,其压力降为30‑250Pa。

【技术实现步骤摘要】
高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料及其制备方法
本专利技术涉及空气过滤领域,具体涉及一种具有良好过滤效果的梯度复合结构过滤介质材料及其制备工艺。
技术介绍
空气是人类赖以生存的必要条件,由于生产和人类各种活动的影响,特别是工业废气的大量任意排放,空气中含有过量的粉尘及有害气体而遭到不同程度的污染。这几年来,PM2.5引起了社会的广泛关注,粉尘对呼吸道和眼睛等器官会造成很大危害。根据“绿色GDP核算报告”,仅北京一个城市,每年因环境污染造成的损失就高达116亿多元,其中大气污染对北京市造成的经济损失最严重,高达95.2亿元,占总污染造成损失的81.75%,由此可看出,环境污染对经济和社会的影响非常大,特别是大气污染更应值得关注。目前市场上的纤维空气过滤材料主要有玻璃纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、活性炭纤维等,但该类纤维空气过滤材料大部分是直通结构,仅对0.3μm以上的颗粒有较高的过滤效率,对亚微米颗粒以及较小粒子难以实现有效过滤。对于传统空气过滤材料,其使用周期短过滤阻力大,已无法完全满足人们对高效过滤材料的要求。随着纳米科技的发展,纳米材料由于具有独特且优异的性能越来越广泛地代替了传统材料,在分离、传感器及生物医学等领域应用。材料的微纳米多级结构赋予了其新颖的性质和特殊功能。与传统无纺布纤维相比,具有微纳米多级结构的静电纺纤维材料,不仅具有纤维直径和膜孔径小、孔隙率高,而且因为多级结构的引入,大幅度提高了纤维的比表面积和孔体积,增强了纤维膜的吸附和容尘体积,有效的提高材料的过滤效率。以静电纺纳米纤维膜为夹层的复合结构过滤材料,更适合过滤细小微粒,将纳米纤维和梯度结构结合更有利于延长滤材的使用寿命。中国专利CN103264533A,公开了一种陶瓷-金属间化合物梯度过滤管及其制备方法和用途,专利技术的过滤管以Ni粉、Al粉、Ti粉、B4C粉、SiC粉和TiH2为原料,通过反应合成内层为耐磨耐腐蚀性能好的多孔TiC+TiB2陶瓷,孔内布满长度10μm的TiB+Ti3B4晶须,最外层为强度高、耐蚀性能好的多孔NiAl+Ni3Al金属间化合物层,由内到外陶瓷组分逐渐减少,金属间化合物组分逐渐增多,从而形成了梯度结构克服现有滤材过滤阻力大、过滤效率低、不易冲洗等缺点,但是该陶瓷-金属间化合物梯度过滤管成本较高,工艺较复杂,不利于技术的推广和工业化。中国专利技术专利申请CN103446804A公开了一种具有梯度结构的碳纳米管空气过滤材料及其制备方法,该碳纳米空气过滤材料通过在纤维表面生长不同含量的碳纳米管,形成梯度结构使其具有过滤效率高,过滤阻力低等特点,但是碳纳米管在溶液中易出现团聚现象,从而降低滤材的孔隙率,且在使用过程中纳米颗粒会发生脱落,对人们健康造成威胁。
技术实现思路
本专利技术的首要目的是为了改善现有过滤材料在满足空气的高过滤效率的情况下,阻力较大和滤材的使用周期短的不足,提供一种成本低,具有优秀过滤效果,且具有三维立体结构的可降低过滤阻力,延长滤材使用寿命的高效低阻过滤介质材料。本专利技术另一目的是提供一种用于空气过滤的高效低阻过滤介质材料的制备方法。同现有技术的复合梯度结构过滤材料相比,本专利技术复合梯度结构过滤介质材料制备工艺简单,本专利技术纺丝条件下不存在影响纤维均匀性因素,高效低阻,具有卷曲结构的微米纤维层和包含锥形尖锥堆积结构的纳米纤维层组合形成的具有3D立体结构的微纳米过滤层,增加了纤维与气流间惯性碰撞机会,导致颗粒被过滤组分拦截的机率增加。同时由于微米纤维方向与气流方向成一定的角度,减小了滤材直接拦截的阻力,立体结构提供的孔隙结构,改变气流的流动方向,更为蓬松的微米级纤维过滤层结构可容纳更多被过滤的颗粒,从而大大降低了滤材的过滤阻力。本专利技术目的通过如下技术方案实现:高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料,包括纳米精细过滤层A、微米支撑初级过滤层B和保护面层C;微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层交互叠加,设置在两层保护面层之间;所述纳米精细过滤层由平面基体纤维层D和锥体结构E组成,其中锥体结构E的尖端与网格基体纤维层D间的纤维形成沿尖端向平面基体纤维层D的取向结构,锥体结构E的锥角为10~70°,锥体尖端的间距为2~20mm;多个锥体结构E在平面基体纤维层D均布形成网格状结构;所述的微米支撑初级过滤层B由具有卷曲结构的微米纤维层组成;所述纳米精细过滤层具有网格状结构;所述的纳米精细过滤层表面带电或不带电;微米支撑过滤层带电或不带电。为进一步实现本专利技术目的,优选地,所述纳米精细过滤层中纳米纤维的直径为10~1000nm,克重为0.5~20g/m2;所述微米支撑初级过滤层的纤维材料的直径为1~100μm,克重为10~200g/m2。优选地,所述微米支撑初级过滤层的纤维材料通过针刺、水刺、纺粘、熔喷或缝编获得的无纺布结构。优选地,所述微米纤维层的纤维与水平面呈10-50°角,所述微米纤维层的纤维具有Z型、S型、螺旋或波浪卷曲结构;所述微米纤维层的纤维为短纤维时,自身具有卷曲结构;所述微米纤维层的纤维为长丝时,通过复合纺丝工艺获得卷曲结构;所述复合纺丝工艺所获得的复合纤维包括皮芯、偏芯或并列型结构。优选地,所述微米支撑初级过滤层的材质包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚氨酯弹性纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇缩醛纤维、聚乳酸纤维、醋酯纤维、纤维素纤维、聚己内酯纤维、皮芯结构纤维、天然纤维或无机纤维;所述皮芯结构纤维包括PP/PE、PET/PE、PA/PE、PET/PA、PET/coPET纤维,其中PE、PA或coPET为皮层;所述天然纤维包括棉、木棉、黄麻、大麻、苎麻、罗布麻、椰壳纤维、菠萝纤维、竹原纤维或秸秆纤维;所述无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维或玄武岩纤维。优选地,所述保护面层的材质包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维或纤维素再生纤维。优选地,所述保护面层为通过纺粘、热轧或热风成型得到的无纺布材料,克重为10~80g/m2。优选地,当压力降为130-300Pa,未加电的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9-99.999%;当压力降为30-250Pa,加电处理的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9-99.999%,实现高效空气过滤。所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料的制备方法,包括如下步骤:1)将高分子聚合物与溶剂混合,配制成质量分数为5~40%的高分子溶液,静置脱泡;2)将所得高分子溶液采用针头静电纺丝、离心纺丝、无针头自由表面静电纺丝、离心静电纺丝或熔喷静电纺丝成型加工,以模板作为接收器,制备得到具有网格结构的表面带电或不带电的纳米精细过滤层;或将高分子溶液采用冷冻干燥相分离、离心纺丝、针头静电纺丝、无针头自由表面静电纺丝、离心静电纺丝或熔喷静电纺丝技术成型加工,以模板作为接收器,后经过正己醇处理,制备得到具有网格结构不带电的纳米精细过滤层;3)微米支撑初级过滤层通过电晕放电、摩擦起电、热极化法或低能电子束轰击法的静电驻极工艺处理,得到带电的微米支撑初级过滤层;4)高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料的最外两层为保护面本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料,其特征在于,包括纳米精细过滤层(A)、微米支撑初级过滤层(B)和保护面层(C);微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层交互叠加,设置在两层保护面层之间;所述纳米精细过滤层由平面基体纤维层(D)和锥体结构(E)组成,其中锥体结构(E)的尖端与网格基体纤维层(D)间的纤维形成沿尖端向平面基体纤维层(D)的取向结构,锥体结构(E)的锥角为10~70°,锥体尖端的间距为2~20mm;多个锥体结构(E)在平面基体纤维层(D)均布形成网格状结构;所述的微米支撑初级过滤层(B)由具有卷曲结构的微米纤维层组成;所述纳米精细过滤层具有网格状结构;所述的纳米精细过滤层表面带电或不带电;微米支撑过滤层带电或不带电。

【技术特征摘要】
1.高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料,其特征在于,包括纳米精细过滤层(A)、微米支撑初级过滤层(B)和保护面层(C);微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层交互叠加,设置在两层保护面层之间;所述纳米精细过滤层由平面基体纤维层(D)和锥体结构(E)组成,其中锥体结构(E)的尖端与网格基体纤维层(D)间的纤维形成沿尖端向平面基体纤维层(D)的取向结构,锥体结构(E)的锥角为10~70°,锥体尖端的间距为2~20mm;多个锥体结构(E)在平面基体纤维层(D)均布形成网格状结构;所述的微米支撑初级过滤层(B)由具有卷曲结构的微米纤维层组成;所述纳米精细过滤层具有网格状结构;所述的纳米精细过滤层表面带电或不带电;微米支撑过滤层带电或不带电。2.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料,其特征在于,所述纳米精细过滤层中纳米纤维的直径为10~1000nm,克重为0.5~20g/m2;所述微米支撑初级过滤层的纤维材料的直径为1~100μm,克重为10~200g/m2。3.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料,其特征在于,所述微米支撑初级过滤层的纤维材料通过针刺、水刺、纺粘、熔喷或缝编获得的无纺布结构。4.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料,其特征在于,所述微米纤维层的纤维与水平面呈10-50°角,所述微米纤维层的纤维具有Z型、S型、螺旋或波浪卷曲结构;所述微米纤维层的纤维为短纤维时,自身具有卷曲结构;所述微米纤维层的纤维为长丝时,通过复合纺丝工艺获得卷曲结构;所述复合纺丝工艺所获得的复合纤维包括皮芯、偏芯或并列型结构。5.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料,其特征在于,所述微米支撑初级过滤层的材质包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚氨酯弹性纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇缩醛纤维、聚乳酸纤维、醋酯纤维、纤维素纤维、聚己内酯纤维、皮芯结构纤维、天然纤维或无机纤维;所述皮芯结构纤维包括PP/PE、PET/PE、PA/PE、PET/PA、PET/coPET纤维,其中PE、PA或coPET为皮层;所述天然纤维包括棉、木棉、黄麻、大麻、苎麻、罗布麻、椰壳纤维、菠萝纤维、竹原纤维或秸秆纤维;所述无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维或玄武岩纤维。6.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料,其特征在于,所述保护面层的材质包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维或纤维素再生纤维。7....

【专利技术属性】
技术研发人员:严玉蓉张鹏朱锐钿赵耀明邓玲利邹飞杨苏邯张文韬
申请(专利权)人:华南理工大学广州纤维产品检测研究院
类型:发明
国别省市:广东,44

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