高效纳米纤维空气过滤器的静电纺丝工艺控制方法技术

本发明专利技术提供一种高效纳米纤维空气过滤器的静电纺丝工艺控制方法，依据空气过滤理论，对静电纺丝制备过程进行数学建模和优化；根据纺丝电压和纺丝时间与目标颗粒去除效率以及压降值的理论关系，通过数据拟合分析，建立半经验数学预测模型，即可在实现目标颗粒物过滤效率的前提下，制造出压降能够达到最小值的纳米纤维空气过滤器，即具有最小过滤阻力，从而降低纳米纤维过滤器在实际使用中的能耗；实现高效低阻，节约能量，降低成本

【技术实现步骤摘要】
高效纳米纤维空气过滤器的静电纺丝工艺控制方法


[0001]本专利技术属于环境保护
中的纳米纤维空气过滤器制造
，具 体涉及一种高效纳米纤维空气过滤器的静电纺丝工艺控制方法
。

技术介绍

[0002]环境保护技术中常需采用空气过滤器对空气进行过滤净化处理，空气过滤 器的常用过滤材料有天然纤维
、
合成纤维
、
玻璃纤维
、
陶瓷和矿物质等，各种 常用材料按照各自加工工艺又可分为
1)
机织物
、
针织物
、
编织网和纤维束等； 2)
纺粘和熔喷无纺布；
3)
多孔陶瓷材料；
4)
有机膜和无机膜材料；
5)
静电 纺丝材料
。
[0003]传统纤维过滤材料是直通的孔隙，其孔隙率也只有
30
％～
40
％，且传统纤维 织造过滤材料流程长，产品的生产效率低；其主要通过经纬纱之间的孔隙进行 过滤，滤料本身产生的阻力较大；织造成型的过滤材料必须在其形成粉尘层之 后，才能起到阻挡较小颗粒状物质的作用，如果因为过滤材料还没有形成粉尘 层
、
过滤层清灰
、
或者其他原因破坏了滤料的粉尘层时，就会导致传统纤维滤 料的过滤效率大幅下降
。
[0004]而静电纺丝材料具有纤维直径小
、
均一性好
、
小孔径
、
高孔隙率及高通量
、 大比表面积
、
强吸附力
、
可再生性
、
节约环保
、
低成本
、
种类多及工艺可控等 特性，不仅满足轻量化要求
——
重量仅
10
～
20mg/m2
，其光学效果更可以与 玻璃相媲美，透光率达
95
％，同时，空气过滤性好，气流阻力低，对直径 0.2
‑
0.3
μ
m
粒子的过滤效率高达
98
％；静电纺丝技术能够制成过滤性和光学性 能均优于其他同类材料的超轻织物，可以明显提升其空气净化效果
。
静电纺丝 技术是工业上规模生产纳米纤维的首选方法，静电纺丝技术的纳米纤维过滤材 料自问世起广泛应用于诸多高要求的过滤领域，特别是在电子
、
生物
、
医药和 防护等领域具有广阔的应用前景
。
[0005]现有技术的概况：
[0006]静电纺丝设备通常采用针头式静电纺丝装置，主要包括高压电源
、
喷丝
(
针
) 头和接收装置三个部分；技术原理主要是利用高压静电场激发聚合物，使其表 面产生大量静电电荷，在静电斥力的作用下，聚合物液滴形成射流通过针头喷 出，聚合物加速拉伸而细化，最后固化冷却形成纳米级超细纤维，复合在基材 上；因此，静电纺丝电压和时间参数关系会显著影响空气过滤器对颗粒的去除 效率和压降大小
(
过滤阻力大小
)。
[0007]为了制造能够满足目标颗粒物过滤要求和过滤效率，并且压降相对较低
(
过 滤阻力较小
)
的静电纺丝纳米纤维空气过滤器，尝试组合不同的静电纺丝电压 和纺丝时间参数，来制备纳米纤维空气过滤器；制造完成后再测量这些纳米纤 维空气过滤器的过滤性能，首先筛选出过滤效率能够达到目标要求的产品，之 后在其中选取压降最低的纳米纤维空气过滤器
。
[0008]现有技术存在的缺陷：
[0009]1、
为了制造出压降较小
(
过滤阻力较小
)、
同时还具备目标颗粒物过滤效 率的空气过滤器，必须大量随机制备且测量纳米纤维空气过滤器，从其中选取 能够达到使用目标
的过滤器，这种方法不仅耗时耗力且不经济，因此生产实用 性较低
。
[0010]2、
即便按上述方法制造且测试了大量不同的纳米纤维空气净化器，并且选 择出了能够达到目标过滤效果的过滤器，由于没有归纳出经验公式，无法在再 次重复制备过程前计算所需的参数，并对制备的纳米纤维过滤器的效果进行预 测
。
[0011]3、
当过滤目标需求发生变化时，无法在制备过程前，从所需要的过滤效果 出发计算所需的静电纺丝工艺制备参数，即无法实现个性化定制过程
。

技术实现思路

[0012]为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术目的在于提供一种高效纳米纤 维空气过滤器的静电纺丝工艺控制方法，制造的纳米纤维空气过滤器的过滤阻 力能够达到最小值，即具有最低压降，从而提高纳米纤维空气过滤器的过滤效 率；耗费时间少，节约能量，降低成本，效率高
。
[0013]本专利技术所采用的技术方案为：
[0014]一种高效纳米纤维空气过滤器的静电纺丝工艺控制方法，包括以下步骤：
[0015]第一步：
[0016]根据使用要求选定粉末原材料；
[0017]将粉末原材料溶解在溶剂中，并进行磁力搅拌，制得静电纺丝溶液；
[0018]将灌注有静电纺丝溶液的注射器安装在静电纺丝机上，并且在注射器上配 备软管和微型针头；
[0019]在控制温湿度的前提下，采用注射泵驱动注射器，通过微型针头持续注射 出静电纺丝溶液；
[0020]第二步：
[0021]在静电纺丝机连通高压电源，启动静电纺丝机，在高电压条件下将注射器 持续注射出的静电纺丝溶液拉制成纳米纤维，并通过基底收集纳米纤维，形成 纳米纤维膜，构成纳米纤维空气过滤器试样；
[0022]第三步：
[0023]静电纺丝机分别在
M
个不同静电纺丝电压和
N
个不同纺丝时间条件下制备 纳米纤维空气过滤器试样，
M
个静电纺丝电压标记为
V
m
，
N
个纺丝时间标记为 t
n
，得到
M
×
N
个样本批次的纳米纤维空气过滤器试样；
[0024]第四步：测量
M
×
N
个样本批次的纳米纤维空气过滤器试样的颗粒物过滤 效率
η
(V
m
，
t
n
)
和压降
Δ
P(V
m
，
t
n
)
，得到
M
×
N
组互相对应的颗粒物过滤效率
η
和 压降
Δ
P
的数值；
[0025]第五步：
[0026]根据上述
M
×
N
组颗粒物过滤效率
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高效纳米纤维空气过滤器的静电纺丝工艺控制方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：根据使用要求选定粉末原材料；将粉末原材料溶解在溶剂中，并进行磁力搅拌，制得静电纺丝溶液
(1)
；将灌注有静电纺丝溶液
(1)
的注射器
(2)
安装在静电纺丝机上，并且在注射器
(2)
上配备软管和微型针头
(7)
；在控制温湿度的前提下，采用注射泵驱动注射器
(2)
，通过微型针头
(7)
持续注射出静电纺丝溶液；第二步：在静电纺丝机中连通高压电源
(3)
，启动静电纺丝机，在高电压条件下将注射器
(2)
持续注射出的静电纺丝溶液拉制成纳米纤维
(5)
，并通过基底
(4)
收集纳米纤维
(5)
，形成纳米纤维膜
(8)
，构成纳米纤维空气过滤器试样；第三步：静电纺丝机分别在
M
个不同静电纺丝电压和
N
个不同纺丝时间条件下制备纳米纤维空气过滤器试样，
M
个静电纺丝电压标记为
V
m
，
N
个纺丝时间标记为
t
n
，得到
M
×
N
个样本批次的纳米纤维空气过滤器试样；第四步：测量
M
×
N
个样本批次的纳米纤维空气过滤器试样的颗粒物过滤效率
η
(V
m
,t
n
)
和压降
Δ
P(V
m
,t
n
)
，得到
M
×
N
组互相对应的颗粒物过滤效率
η
和压降
Δ
P
的数值；第五步：根据上述
M
×
N
组颗粒物过滤效率
η
和压降
Δ
P
数值绘制
η
‑
Δ
P
关系曲线；在相同的
η
数值条件下，筛选出
Δ
P
数值最小的曲线，其对应的
V
m
即为最优电压
V
opt
；第六步：筛选出
η
(V
opt
,t
n
)
和
t
n
的数值，并通过数学软件拟合为多项式函数：
η
＝
f(t)
＝1‑
exp(a
·
t+b)
其中：
a
，
b
为常数，
η
为颗粒物过滤效率，
t
为静电纺丝时间；第七步：设定目标颗粒物过滤效率
η
tar
，通过公式
η
＝
f(t)
计算出对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈淳，牛卓伦，卞烨，张立，
申请(专利权)人：香港物流机械人研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：