一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料及其制备方法，所述制备方法为：在静电纺丝过程中通过环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置，采用双区域隔离纺丝控制技术在接收基材上一步成型获得兼具微米纤维和纳米纤维的三维结构复合驻极过滤材料。所述复合驻极过滤材料中微米纤维及纳米纤维层中均分布有驻极体材料，在高压电场作用下，驻极体材料的电荷存储能力和电荷稳定性增强，利用复合驻极过滤材料的静电效应，可有效提高滤材的过滤效率。本发明专利技术的微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料具有极高的驻极体电荷稳定性，表面静电势300～8000V，对0.02～20μm颗粒物的过滤效率≥99.97％，且其阻力≤30Pa，且使用寿命长，发展及应用前景广阔。

A micron fiber / nanofiber composite electret filter material and its preparation method

The invention relates to a micron fiber / nano fiber composite electret filter material and preparation method thereof, wherein the preparation method is as follows: rapid removal of solvent vapor through the annular gradient device during the electrospinning process, using double spinning regional isolation control technology one step forming at the receiving substrate with microfiber and nanofiber 3D the structure of composite electret filter material. The composite electret filter material and nano micron fibers are distributed in the fiber layer electret material in high voltage electric field enhancement, charge storage capacity and charge stability of electret material, the use of electrostatic effect of composite electret filtration material, can effectively improve the filtration efficiency of filter media. The invention of the micron fiber / nano fiber composite Electret Materials with high electret charge stability, surface electrostatic potential of 300 ~ 8000V, 0.02 ~ 20 m particle filtering efficiency is more than 99.97%, and the resistance is less than or equal to 30Pa, and long service life, development and wide application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料及其制备方法
本专利技术涉及一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料及其制备方法，特别是通过环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置，采用双区域隔离纺丝控制技术在接收基材上一步成型获得兼具微米纤维和纳米纤维的三层结构驻极复合过滤材料，属于环境材料领域。
技术介绍
传统过滤材料虽然能实现对污染颗粒物的有效过滤，但想达到较高的过滤效率通常具有很高的阻力压降，因而仅靠纤维本身的结构特点很难实现过滤效率和压阻的有效平衡。除了常规的物理拦截和惯性碰撞作用外，静电吸附作用的引入可以大幅度提高静电吸附力对颗粒的拦截作用从而在保证低阻力压降的同时提高过滤效率。目前纤维驻极材料大多采用电晕放电、热极化及低能电子束轰击等方法实现存在诸多缺点，例如：驻极性能不稳定，所产生的表面电荷及空间电荷且易失效，工艺复杂，成本高等。公开的制备驻极过滤材料专利有：“一种复合驻极体纤维过滤材料”(CN200710069267.6)，将聚四氟乙烯膜与基膜材料进行复合得复合材料，将复合材料进行电晕放电法或电击穿极化方法驻极得到复合驻极体膜，再将复合驻极体膜经开丝拉伸制成纤维，成网即得产品；“一种含有增能助剂的多层纺熔驻极过滤材料及其制备方法”(CN201610457927.7)，所述过滤材料原料包括多层纤维网，多层纤维网为层叠结构，是依次经过针刺加固处理，烘焙处理，电晕驻极处理而制成的；专利“一种双介电聚合物共混熔喷纤维驻极非织造材料”(CN201610859825.8)公开一种双介电聚合物共混熔喷纤维驻极非织造材料，其特征在于熔喷纤维体中包括聚苯乙烯和聚丙烯两种介电聚合物，由于聚苯乙烯和聚丙烯两者的介电特性，在熔喷加工高速剪切过程中二者间相互摩擦带上大量静电，再经电晕放电处理，对亚微米数量级粉尘颗粒的捕集效率高达99.9％以上。以上专利中涉及到的驻极过滤材料均采用电晕放电或电击穿极化方法实现电荷注入，其驻极电荷储存能力及电荷稳定性等问题仍值得考究，通常驻极体材料带有极性基团，容易与空气中的H2O形成氢键，降低材料的介电性能，同时对材料的长期电荷存储能力也会造成影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是：在高压电场作用下，驻极体材料的电荷存储能力和电荷稳定性增强，利用复合驻极过滤材料的静电效应，在保持低压阻的同时可有效地提高滤材的过滤效率。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是提供了一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将驻极体材料均匀分散于溶剂中，形成分散液，超声搅拌0.5～2h后，将不同重均分子量的聚合物加入到相应的溶剂中，封口后用磁力搅拌装置连续搅拌3～18小时，如需加热搅拌则放入0～100℃的水浴锅中，最终制备成稳定、均匀且具有一定浓度，质量百分比浓度为1～40％，的聚合物纺丝液A和聚合物纺丝液B，分别用于制备纳米纤维层和微米纤维层；2)将制备好的聚合物纺丝液A和聚合物纺丝液B分别通过供液装置吸入喷丝模块中，在静电纺丝过程中通过环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置，采用双区域隔离纺丝控制技术在接收基材上一步成型获得兼具微米纤维和纳米纤维的三维结构复合驻极过滤材料，所述复合驻极过滤材料中微米纤维及纳米纤维层中均分布有驻极体材料，其中静电纺丝的工艺条件为：电压20～100kV，接收距离5～100cm，灌注速度0.05～10mL/h，温度0～40℃，相对湿度10～90％。优选地，所述环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置包括排气风机、环形排气分管、排气主管以及溶剂蒸汽回收装置，排气风机的排风量大小由变频器调节，排气风机与环形排气分管相通，环形排气分管通过绝缘支架固定在纺丝模块内，环形排气分管上方开有小孔，且小孔的开孔大小可调节，排气分管通过排气延伸管道与排气主管的一端相连，排气主管布置在纺丝模块下方，排气主管的上方开有百叶窗，排气主管的另一端通过排气延伸管道通向溶剂蒸汽回收装置。优选地，所述排气风机的排风量大小为0-2000m3/min，变频器频率为0～100Hz。优选地，所述环形排气分管的环形为圆形、椭圆形、正方形、矩形、正六边形中的一种或组合；所述环形排气分管以纺丝区域的正中心为原点环环布置，纺丝区域面积为S，S＞6.4m2，环形排气分管根数为a，相邻环形排气分管距离为b，5cm＜b＜30cm。优选地，所述所述环形排气分管外径为R，3cm＜R＜8cm，内径为r，2.5cm＜r＜7.5cm，环形排气分管上方开的小孔为圆形，开孔大小通过阀门调节，开孔面积为s，0＜s＜12cm2；所述环形排气分管上开孔数量Ni(i＝1，2，3，…，a)的分布从内向外依次递增，满足条件：Ni＝iN1(i＝1，2，3，…，a)。优选地，所述的驻极体材料为羟基磷灰石、聚四氟乙烯、氮化硅、二氧化硅、勃姆石、三氧化二铝、氧化锌、氧化钡、二氧化钛、五氧化二钽、钛酸钡、锆钛酸铅、电气石和倍半硅氧烷中的一种，粒径为0.05～2μm，浓度为0.01～2wt％。优选地，所述接收基材的材质为聚丙烯、聚乙烯、聚丙烯/聚乙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、纤维素、聚丙烯腈、聚酰胺、聚酯、金属丝、碳纤维或玻纤，克重为30～200g/m2，孔径尺寸为1～800μm。优选地，所述双区域隔离纺丝控制技术即通过两个互相独立的纺丝区间分别制备纳米纤维和微米纤维。优选地，所述互相独立的纺丝区间利用有机玻璃板隔开，纺丝区间总长度＞3m，宽度＞1m，高度＞1.5m。本专利技术的另一个技术方案是提供了一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料，其特征在于，通过上述的制备方法制备得到，为基材层、纳米纤维层和微米纤维层组成的三层复合结构，微米纤维层克重为20～200g/m2，纳米纤维层克重为5～50g/m2。优选地，所述微米纤维层和纳米纤维层的成分为氟化乙丙烯共聚物、聚全氟乙丙烯、聚丙烯、可溶性聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚苯乙烯、聚酯、聚醋酸乙烯、尼龙6、尼龙66、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚己内酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚四氟乙烯、聚乙二醇、聚氨酯、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏氟乙烯-四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚以及聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯中的一种或以上。本专利技术的另一个技术方案是提供了一种上述的微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料的应用，其特征在于，所述微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料的表面静电势300～8000V，对0.02～20μm颗粒物的过滤效率≥99.97％，且其阻力≤30Pa。有益效果：(1)本专利技术的一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料及其制备方法，在静电纺丝过程中通过环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置，避免纺丝区域溶剂蒸汽过大引起纤维成型性能差。(2)本专利技术采用双区域隔离纺丝控制技术在接收基材上一步成型获得兼具微米纤维和纳米纤维的三维结构复合驻极过滤材料，制备方法简单且工艺可控性强，所得复合过滤材料的纤维直径和孔径具有微/纳米尺度。(3)本专利技术的一种微米纤维/纳米纤维复合过滤材料及其制备方法，所述复合驻极过滤材料中微米纤维及纳米纤维层中均分布有驻极体材料，在高压电场作用下，驻极体材料的电荷存储能力和电荷稳定性增强，利用复合驻极过滤材料的静电效应，在保持低压阻的同时可有效提高滤材的过滤效率。附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将驻极体材料均匀分散于溶剂中，形成分散液，超声搅拌0.5～2h后，将不同重均分子量的聚合物加入到相应的溶剂中，封口后用磁力搅拌装置连续搅拌3～18小时，如需加热搅拌则放入0～100℃的水浴锅℃中，最终制备成稳定、均匀且具有一定浓度，质量百分比浓度为1～40％，的聚合物纺丝液A和聚合物纺丝液B，分别用于制备纳米纤维层和微米纤维层；2)将制备好的聚合物纺丝液A和聚合物纺丝液B分别通过供液装置吸入喷丝模块中，在静电纺丝过程中通过环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置，采用双区域隔离纺丝控制技术在接收基材上一步成型获得兼具微米纤维和纳米纤维的三维结构复合驻极过滤材料，所述复合驻极过滤材料中微米纤维及纳米纤维层中均分布有驻极体材料，其中静电纺丝的工艺条件为：电压20～100kV，接收距离5～100cm，灌注速度0.05～10mL/h，温度0～40℃，相对湿度10～90％。

【技术特征摘要】
1.一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将驻极体材料均匀分散于溶剂中，形成分散液，超声搅拌0.5～2h后，将不同重均分子量的聚合物加入到相应的溶剂中，封口后用磁力搅拌装置连续搅拌3～18小时，如需加热搅拌则放入0～100℃的水浴锅℃中，最终制备成稳定、均匀且具有一定浓度，质量百分比浓度为1～40％，的聚合物纺丝液A和聚合物纺丝液B，分别用于制备纳米纤维层和微米纤维层；2)将制备好的聚合物纺丝液A和聚合物纺丝液B分别通过供液装置吸入喷丝模块中，在静电纺丝过程中通过环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置，采用双区域隔离纺丝控制技术在接收基材上一步成型获得兼具微米纤维和纳米纤维的三维结构复合驻极过滤材料，所述复合驻极过滤材料中微米纤维及纳米纤维层中均分布有驻极体材料，其中静电纺丝的工艺条件为：电压20～100kV，接收距离5～100cm，灌注速度0.05～10mL/h，温度0～40℃，相对湿度10～90％。2.根据权利要求1所述的一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料的制备方法，其特征在于，所述环形梯度溶剂蒸汽快速去除装置包括排气风机、环形排气分管、排气主管以及溶剂蒸汽回收装置，排气风机的排风量大小由变频器调节，排气风机与环形排气分管相通，环形排气分管通过绝缘支架固定在纺丝模块内，环形排气分管上方开有小孔，且小孔的开孔大小可调节，排气分管通过排气延伸管道与排气主管的一端相连，排气主管布置在纺丝模块下方，排气主管的上方开有百叶窗，排气主管的另一端通过排气延伸管道通向溶剂蒸汽回收装置。3.根据权利要求2所述的一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料的制备方法，其特征在于，所述排气风机的排风量大小为0-2000m3/min，变频器频率为0～100Hz。4.根据权利要求2所述的一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料的制备方法，其特征在于，所述环形排气分管的环形为圆形、椭圆形、正方形、矩形、正六边形中的一种或组合；所述环形排气分管以纺丝区域的正中心为原点环环布置，纺丝区域面积为S，S＞6.4m2，环形排气分管根数为a，相邻环形排气分管距离为b，5cm＜b＜30cm。5.根据权利要求2所述的一种微米纤维/纳米纤维复合驻极过滤材料的制备方法，其特征在于，所述所述环形排气分管外径为R，3cm＜R＜8cm，内径为r，2.5cm＜r＜7.5cm，环形排气分管上方开的小孔为圆形，开孔大小通过阀门...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁彬，廖亚龙，李玉瑶，赵兴雷，蒋攀，印霞，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31