CN101829454A

CN101829454A - 一种过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法

Info

Publication number: CN101829454A
Application number: CN200910079812A
Authority: CN
Inventors: 李从举; 王伟媛; 王娇娜
Original assignee: Beijing Institute Fashion Technology
Current assignee: Beijing Institute of Clothing Technology; Beijing Institute Fashion Technology
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明涉及一种过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法，包括采用高分子溶液或熔体通过静电纺丝装置制备出质量可靠的电纺纳米纤维膜，并将该电纺纤维膜与习用的过滤材料组合成型夹层复合纳米过滤材料。与现有技术相比，本发明中质量可靠的纳米纤维膜不仅能滤除1微米的颗粒，过滤效率达100％，而且习用过滤材料、粗纤维不仅是支撑材料，而且还能对较大颗粒进行预滤，减少了纳米纤维膜的磨损，延长了复合过纳米滤材料的使用寿命，减少其更新次数，降低过滤费用。

Description

一种过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法，属于防护过滤材料制备的技术领域。

背景技术

当前环境污染严重威胁人体健康，已经成为影响人类生存和社会发展的头等大事，随着人们环保意识的增强，人们已经意识到环境保护的重要性，各国政府也纷纷出台政策，加强环保力度。在各种环境污染中，大气污染和水资源污染尤其引起人们关注，因为二者直接影响人身安全和人类生活质量。国家“十五”环保建设投入了巨额资金，环境污染有所减轻，生态恶化趋势得到初步改善。但随着我国工业规模扩大，人口增多，环境与生态压力越来越大，开发新的环境净化技术一直是我们面临的重大课题。

过滤是利用介质将悬浮液体或气体中的固体物质截留，而液体或气体则穿过介质被澄清或净化。当液体或气体中的固体颗粒尺寸大于过滤材料的孔径时，就只能允许或气体液体通过，而固体颗粒被吸附在过滤材料的表面，使固液分离，形成滤饼。众所周知，过滤材料的过滤效率与其孔径大小有直接的关系，孔径大小将直接影响过滤效率。

目前从聚合物、矿物到金属均可制成纤维、纱线。颗粒或薄膜形态存在的过滤材料。纤维以其比表面积大、体积蓬松、价格低廉、容易加工成形等特点自始自终占据了过滤材料的绝大部分市场。而其中的非制造纤维材料以其成形工艺短，可省去纺纱、整经、织造等多个程序，成本低且过滤性能好，成为过滤材料的主导产品。合成纤维常制成非制造结构，并通过热、机械、化学或自粘方法赋予其强度。纤维状材料具有比表面积大的优点，因而就具有较低的压降和较高的过滤效率。纱线制成的机织物或针织物具有较高的强度，因此常常用于像袋式过滤集成器一类的可通过脉冲气流或振动作用进行清洁的过滤系统。颗粒材料像金属、陶瓷通过烧结制成多孔滤材，用于耐高温的场合，如发动机废气的过滤。多孔聚四氟乙烯(ePTFE)是一种具有原纤结构的薄膜滤材，该材料在中等压降下就可产生高的过滤效率。聚四氟乙烯(PTFE)是一种高强材料，具有耐高温、耐化学腐蚀等特性。

2003年世界纤维材料型过滤系统与过滤器件的市场总额已超过40亿美元，其中过滤介质，也就是纤维材料制成的过滤系统要占销售额的3/4以上，我国的非制造过滤材料起步于60年代末70年代初，采用的是湿法和化学粘合法加工技术，针刺法、纺粘法、熔喷法等加工技术则出现较晚。随着我国工业进程加快，过滤材料的应用将越来越广泛，过滤材料的要求也越来越高，要求获得更好的过滤效率。由于传统过滤材料在过滤效率、滤层阻力及粉尘粒度等方面都存在不同的难点，这就要求我们创造新的过滤材料。

随着20世纪80年代纳米材料的发展，特别是纳米材料的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等性能，使其在许多方面都具有其他材料无法比拟的优点，而纳米纤维也成为当前研究的热点。纳米纤维的制备方法也很多，其中较为可靠有效的方法是利用高压静电纺丝技术制备纳米纤维。该技术已是成熟的习用技术，为我们创造新型的过滤材料准备了技术基础。

电纺丝装置主要包括高压电源、纺丝液供给系统、喷射装置、纤维接收装置四个部分组成。其原理是：聚合物溶液或熔体带上几千到几万千伏的高压静电，聚合物液滴在电场的作用下在毛细管的Taylor锥顶点被加速。当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似非织造布状的纤维毡。

CN1562441A公开了一种夹心式纳米/亚微米电纺丝基过滤材料的制备方法，其是将纳米纤维膜直接纺制在习用过滤材料上，然后通过热压制成夹层复合材料。该技术存在的缺点为：将纳米纤维膜直接纺制在习用过滤材料上，很难检测和保证纳米纤维的均匀性，因之使得产品的整体质量无法保证；要保证产品的质量必须调整习用滤布的供给速度和纺丝速率的一致性，而纺丝的连续性和纺丝速率的稳定性在现阶段的工艺中是很难保证的。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的缺点，在制得纤维直径、厚度均一的纳米纤维膜后，经过热压或缝合制得质量可靠的复合纳米过滤材料。而且可根据具体不同的用途，对电纺纤维膜进行后处理，制成具有特殊功能的复合过滤材料。

本发明一种过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法，包括如下几个步骤：

(1)采用高分子溶液或高分子熔体通过静电纺丝装置制备出电纺纳米纤维膜，所述的电纺纳米纤维膜的纤维直径在几个纳米到几个微米之间。所述的高分子溶液或高分子熔体的高分子物包括聚酯(PET)、聚丙烯腈(PAN)、尼龙(PA6)、聚乳酸(PLA)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚氨酯(PU)等。

(2)采用一层或几层习用的过滤材料作为复合过滤材料的里层和外层，以由第(1)步制备出的电纺纳米纤维膜作为复合过滤材料的中间层，将它们组合成型形成夹层复合过滤材料；所述的习用过滤材料的纤维尺寸在几个微米到几十个微米之间。包括无纺布面材、针织、机织面料或粗纤维等，优选天然纤维、合成纤维或两者的混纺纤维的编织物或无纺布，更优选为玻璃纤维和/或工业滤布。夹层复合过滤材料组合成型方法为热压、胶粘或缝合等方法，优选热压或缝合法。本领域的研究人员一直认为：只能用热压、胶粘的复合成型技术制得复合过滤材料，缝合技术会使材料表面有孔径大小不同的孔，破坏了过滤材料的过滤性能。而本发明的申请人打破了这种传统思维，利用先进的超声波无缝缝合技术制备了纳米复合过滤材料，该技术使用了热塑性缝合线，利用超声波将缝合缝焊接，缝合面平整，牢固，对材料的过滤性能没有任何影响。

(3)将所得夹层复合过滤材料加工成滤芯。本发明的复合纳米过滤材料适用于习用过滤材料制作的各种滤芯。

本发明一种过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法包括，采用高分子溶液或熔体通过静电纺丝装置制备出电纺纳米纤维膜，并将该电纺纤维膜与习用的过滤材料组合成型夹层复合纳米过滤材料。该复合纳米过滤材料适用于习用过滤材料制作的各种滤芯。

本发明组合成型方法优选热压法或缝合法，热压法热压过程是使习用滤材与电纺纳米纤维膜能很好地粘结在一起。温度不宜过高，以防止发生胶粘及结构变形。热压的温度和压力视当时被热压的材料性质而定，温度、压力无固定值。习用滤材或粗纤维不宜过厚。缝合法采用超声波无缝缝合技术，使用了热塑性缝合线，利用超声波将缝合缝焊接，缝合面平整，牢固，对材料的过滤性能没有任何影响。

本发明具有如下优点：

本发明是由电纺纳米纤维膜与习用过滤材料或粗纤维经过组合成型制得，采用习用的的过滤材料作为复合过滤材料的里层和外层，习用过滤材料的纤维尺寸在几个微米到几十个微米之间，形成的孔径很大，在这里不仅起支撑材料的作用，而且还能对较大颗粒进行预滤，减少了内层纳米纤维膜的磨损，起到保护作用，从而延长了复合过滤材料的使用寿命，减少滤芯的更新次数，降低过滤费用。而电纺纳米纤维膜的纤维直径在几个纳米到几个微米之间，其孔径要小的多，能滤除习用过滤材料所无法滤除的1微米及以下的颗粒，效率达到100％，可以用来过滤气体、液体及油等微小颗粒，同时过滤阻力增加值小。本发明工艺过程简单，制造成本低，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明，并非对本发明的限定。

原料：习用过滤材料：一号工业滤布，

二号工业滤布，

玻璃纤维：江苏九鼎集团股份有限公司生产。

实施例1：

将一定质量的聚酯切片(PET)溶解于三氟乙酸和二氯甲烷体积比为4∶1的混合溶剂中，溶液的质量分数为13％，在室温下成稳定、均一的溶液，静置几分钟后，将所得溶液注入电纺装置中制得PET电纺纤维膜；再将该膜置于一号工业滤布和玻璃纤维之间在180℃的条件下热压形成夹层复合纳米过滤材料。

实施例2：

将一定质量的聚丙烯腈(PAN)溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，溶液的质量分数为10％，在室温下成稳定、均一的溶液，静置几分钟后，将所得溶液注入电纺装置中制得PAN电纺纤维膜；再将该膜置于一号工业滤布和玻璃纤维之间在180℃的条件下热压形成夹层复合纳米过滤材料。

实施例3：

将一定质量的尼龙(PA6)颗粒溶解于甲酸与冰醋酸体积比为8∶2的混合溶剂中，溶液的质量分数为12％，在室温下成稳定、均一的溶液，静置几分钟后，将所得溶液注入电纺装置中制得PA6电纺纤维膜；再将该膜置于一号工业滤布和玻璃纤维之间在180℃的条件下热压形成夹层复合纳米过滤材料。

实施例4：

将一定质量的聚乳酸(PLA)溶解于二氯甲烷与DMF体积比为8∶2的混合溶剂中，溶液的质量分数为8％，在室温下成稳定、均一的溶液，静置几分钟后，将所得溶液注入电纺装置中制得PLA电纺纤维膜；再将该膜置于二号工业滤布和玻璃纤维之间在195℃的条件下热压形成夹层复合纳米过滤材料。

实施例5：

将一定质量的聚偏氟乙稀(PVDF)溶解于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)与丙酮体积比为8∶2的混合溶剂中，溶液的质量分数为15％，在室温下成稳定、均一的溶液，静置几分钟后，将所得溶液注入电纺装置中制得PVDF电纺纤维膜；再将该膜置于二号工业滤布和玻璃纤维之间在195℃的条件下热压形成夹层复合纳米过滤材料。

实施例6：

将一定量的聚氨酯(PU)溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，溶液的质量分数为13％，在室温下成稳定、均一的溶液，静置几分钟后，将所得溶液注入电纺装置中制得PU电纺纤维膜；再将该膜置于一号工业滤布和二号工业滤布之间，利用超声波无缝缝合机(常州中创)在工作速度为2米/分钟的条件下缝合，形成夹层复合纳米过滤材料。

Claims

1.一种过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，包括如下几个步骤：

(1)采用高分子溶液或高分子熔体通过静电纺丝装置制备出电纺纳米纤维膜，所述的电纺纳米纤维膜的纤维直径在几个纳米到几个微米之间；

(2)采用一层或几层习用的过滤材料作为复合过滤材料的里层和外层，以由第(1)步制备出的电纺纳米纤维膜作为复合过滤材料的中间层，将它们组合成型形成夹层复合过滤材料；所述的习用过滤材料的纤维直径在几个微米到几十个微米之间；

(3)将所得夹层复合过滤材料加工成滤芯。

2.根据权利要求1所述的过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，第(1)步所述的高分子溶液或高分子熔体的高分子物为聚酯、聚丙烯腈、尼龙、聚乳酸、聚偏氟乙烯或聚氨酯。

3.根据权利要求1所述的过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，第(2)步所述的习用过滤材料为天然纤维、合成纤维或两者的混纺的编织物或无纺布。

4.根据权利要求3所述的过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，第(2)步所述的习用过滤材料为玻璃纤维和/或工业滤布。

5.根据权利要求1所述的过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，夹层复合过滤材料组合成型方法为热压、胶粘或缝合。

6.根据权利要求5所述的过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，夹层复合过滤材料组合成型方法为热压或缝合。