CN103505942A

CN103505942A - 一种纳米纤维过滤材料

Info

Publication number: CN103505942A
Application number: CN201310459720.XA
Authority: CN
Inventors: 程博闻; 庄旭品; 石磊; 康卫民; 李红军; 李孟芹
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2014-01-15

Abstract

本发明涉及一种纳米纤维过滤材料，包括至少一层直径小于1000nm的连续聚合物纤维组成的多孔隙纳米纤维层，其特征在于，所述的纳米纤维采用溶液喷射纺丝技术制备而成，各纳米层的克重为至少1.5g／m²，纳米纤维呈三维卷曲形态，纤维层的孔隙率占95％以上，纤维层中孔径在1um-10um的孔的比例占95％以上；当以表面速度为5.33cm／s的气流过滤平均粒径为0.3μm颗粒时，所述过滤材料纳米纤维层的过滤效率至少为40％，初始压降小于8mmH₂O，所述的过滤材料的过滤品质因数Q_F高于0.06(1／mmH₂O)，本发明的纳米纤维过滤材料具有高效低阻的过滤性能。

Description

一种纳米纤维过滤材料

技术领域

本发明涉及一种纳米纤维过滤材料，具体为采用溶液喷射纺丝技术制备的纳米纤维层在空气过滤材料上的应用。

背景技术

随着科学技术和现代化工业的高速发展，大量的废气、烟尘，如工业废气、燃烧、尾气等，严重污染了人类生存环境，特别是近年来大气中广泛存在的直径小于2.5微米的颗粒污染物(PM2.5)的危害已经引起世界范围的关注，其吸入体内后会直接进入支气管，引发包括哮喘、支气管炎、尘肺和心血管病等疾病。同时，电子、精密机械、冶金、宇航、核能、化工等工业以及医疗、制药、食品等行业的发展，对过滤材料的要求也越来越高，因此空气过滤材料在环境治理、工业生产以及日常生活中担任着日益重要的角色。

依据过滤理论，纤维直径尺寸的下降会提高过滤效率，当纤维的直径降到微纳米级(小于1000nm)时，其纤维网内体现出高比表面积和微小孔径的结构，这为高过滤效率和高性能提供了优势，因此微纳米纤维的出现为空气过滤及净化提供了新的思路和方法，使高精度过滤得到实现。

目前，市场上得到广泛使用的是熔喷纤维网过滤材料，其纤维直径在2-5um左右，属于微米级纤维范畴，纤网孔径为10-30微米，得到的纤维在高速气流的作用下具有三维卷曲形态，纤维网的孔隙率一般在85％以上，这为降低熔喷纤维网的过滤阻力做出了贡献。普通熔喷纤维网的过滤效率为40-70％，为中高效过滤材料，在加入静电驻极后，以及增加纤网厚度后，过滤效率能够达到90％以上，为高效过滤材料。与普通的非驻极体非织造布相比，无论是对带电和不带电的气溶胶粒子，驻极体非织造布在初期都显示出特别高的捕获效率，但随着材料被捕获粒子所覆盖，过滤特性会发生改变，机械阻挡作用增加，成为主要的捕获机理(Particul Sci Technol[J]，1987，5(2)：161-171)。因此，熔喷纤网的静电驻极具有时效性和寿命性。

另外，由静电纺丝技术制备的纳米纤维也受到了关注，其纤维直径在1um以下，纤网孔径在0.2-2um之间，在静电纺工艺中，高压电场作为主要驱动力使得聚合物溶液或者熔体细流带电并得到牵伸的方法来制备纳米纤维。其具有高比表面积，直径小，质量轻，孔隙率高以及很强的静电吸附力等优异的性能，其过滤效率高于99％，为超高效过滤材料。Ryu等人研究了静电纺尼龙6的传递通透性能，通过对静电纺尼龙6纳米纤维膜与商品化(HEPA)高效过滤材料进行对比研究，发现其对粒径在0.3μm以下颗粒的过滤性能优于HEPA(Eur.Polym.J.[J]2003.39(9)：1883-1889)。由于静电纺纳米纤维厚度薄，纤维膜强力小，一般采用基布作为支撑层。Narendiran Vitchuli等通过在50／50尼龙／棉织物上沉积一层静电纺纳米纤维，显著提高了其抵抗和过滤亚微级气溶胶化学物质和生物物质的性能(J.Appl.Polym.Sci.[J]2010.116：2181)。Qin等用静电纺丝法在基布材料上纺制了具有不同面密度的纳米纤维层，发现基布材料上覆盖了面密度为2.4g/m²的纳米纤维层后，过滤效率接近100％(Fiber.Polym.[J]2010.11：632)。尽管静电纺纳米纤维拥有这些高效过滤性能的优点，但同时也面临了一些问题和缺陷。首先，大多数工作仍需在实验室规模下的单针头纺丝设备上进行，其产量较低，进液速率一般为0.1-5ml／小时。其次，静电纺纳米纤维虽然具有高效过滤的显著特性，但同时研究表明静电纺纳米纤维膜结构较密实，在显著提高过滤效率时，伴随着压力降也会迅速增大，空气透过性减小，从而降低了产品的使用寿命，这在很大程度上限制了其作为高效过滤材料的广泛应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种纳米纤维过滤材料，包括至少一层直径小于1000nm的连续聚合物纤维组成的多孔隙纳米纤维层，该纳米纤维是采用溶液喷射纺丝技术制备得到的，纤维具有三维卷曲形态的，纤维层孔隙率在95％以上的，纤维层中孔径在1um-10um的孔的比例占95％以上，包含有一层或多层支撑材料的过滤材料，所制得的纳米纤维过滤材料具有过滤效率高，过滤阻力低，重量轻等优异性能，空气透过性能好，综合评价过滤材料品质因数Q_F值高等特点。该制备方法具有工艺简单，产品质量提高，适用于工业化生产等特点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是提供一种纳米纤维过滤材料，包括至少一层直径小于1000nm的连续聚合物纤维组成的多孔隙纳米纤维层，所述纳米纤维采用溶液喷射纺丝技术制备而成，所述过滤材料的纳米纤维有利的直径约为100nm-700nm；所述的纳米纤维层孔径在1um-10um之间的孔的比例占95％以上，介于静电纺纳米纤维和熔喷微纳米纤维之间；所述的过滤材料纳米纤维为三维卷曲形态，天然形成褶皱，且具有一定的刚性，对纳米纤维网起到一定的支撑作用，从而增加了纳米纤维的比表面积，能够提高过滤效率和过滤容尘量，同时由于这种结构使得纤维网具有一定的蓬松度，在过滤粉尘、气溶胶等颗粒时，过滤的阻力较静电纺纳米纤维网低。在本发明材料中，纳米纤维层的厚度至少为0.1mm，这是三维卷曲纳米纤维所形成的，最好纳米纤维层的厚度大于0.3mm且小于1mm，纳米纤维层的厚度可随纳米纤维聚合物的密度变动。所述的纳米纤维层的孔隙率占95％以上，在不改变纳米纤维网孔结构大小的情况下，这大大提高了过滤容尘量，使得该纳米纤维过滤材料的使用寿命增加。

本发明涉及的纳米纤维过滤材料包括至少一层纳米纤维层或还包括至少一层支撑层。所述的各纳米层的克重为至少1.5g／m²，纳米纤维过滤材料的总基重至少为4.5g／m²。所述的过滤材料支撑层为一层或多层，或三明治夹层式支撑层。所述的过滤材料支撑层包括纱布、网结构材料、纺织品和非织造布。本发明的纳米纤维过滤材料的刚性和强度较小，能够在没有支撑层的情况下单独使用；为了提高该过滤材料的刚性和强度，增加一层或多层具有足够强度的纱布、网结构材料、纺织品和非织造布。所述的纳米纤维过滤材料其特征在于，当以表面速度为5.33cm／s的气流过滤平均粒径为0.3μm颗粒时，所述过滤材料纳米纤维层的过滤效率至少为40％，所述的过滤材料的初始压降小于8mmH₂O，所述的过滤材料的过滤品质因数Q_F高于0.06(1／mmH₂O)。

所述的过滤材料的过滤品质因数能够综合评价过滤材料的过滤性能，其定义为：

Q_{F} = \frac{\ln (1 / p)}{Δp}

式中，p代表渗透率；Δp代表压力降。因为-ln(p)其实质为过滤效率，所以过滤品质因数实际上是过滤效率和压力降的比值。

本发明解决所述技术问题的技术方案是制备纳米纤维过滤材料的方法，该制备方法是利用高速气流对纺丝溶液挤出细流进行超细拉伸并促进溶剂挥发而获得超细甚至纳米纤维的纺丝方法，该纺丝方法的工艺步骤为中国发明专利ZL201110041792.3中公布的“一种聚合物纳微纤维非织造布的制备方法”，该方法的基本原理是利用高速气流对溶液挤出细流进行喷吹，促使溶液细流分裂产生射流，在射流运行过程中溶剂挥发，固化成纤维。所述的纺丝液包含溶解聚合物和溶解聚合物的溶剂；所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、丙酮、1,4-二氧六环、二氯乙烷、三氯甲烷、乙醇、四氢呋喃中的一种或两种及其以上共混体系，共混体系中各组分比例不限；所述的聚合物共混纺丝液包含两种及其以上聚合物及其溶剂或溶剂共混体系。

与现有技术相比，本发明所述的一种纳米纤维过滤材料，包括至少一层直径小于1000nm的连续聚合物纤维组成的多孔隙纳米纤维层，其制备方法是通过溶液喷射纺丝方法制备的纳米纤维过滤材料，该纳米纤维过滤材料纤维直径一般在小于1000nm以下，典型为100nm-700nm，纳米纤维的孔径在1um-10um之间的孔的比例占95％以上，介于静电纺纳米纤维和熔喷微纳米纤维之间，具有天然的三维卷曲状态，纳米纤维层的孔隙率在95％以上，与其他纳米纤维过滤材料相比拥有较高的过滤效率和较低的压力降，即有较高的品质因数，能够广泛应用在各种高效低阻过滤材料上，如普通中央空调、家用中央空调过滤材料、电子工业中的空气过滤、重金属废水过滤材料等。该溶液喷射纺丝制备方法产率高、工艺过程简单，能耗低，生产周期短，等优点。

附图说明

图1为本发明一种实施例的溶液喷射纳米纤维过滤材料制备装置示意图。

图2为本发明实施例1的溶液喷射纳米纤维过滤材料的扫描电镜图片与纳米纤维的直径分布图。

图3为图2中溶液喷射纳米纤维层孔径分布图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。

以下给出本发明的具体实施例，但发明申请的权利要求保护范围不受具体实施例的限制。

实施例1

所述的纳米纤维过滤材料采用中国发明专利ZL201110041792.3中的溶液喷射纺丝技术制备而成，具体为通过溶液喷射纺丝技术制备尼龙6聚合物的18％无水甲酸溶液制备纳米纤维层。所得纳米纤维过滤材料的直径为500-700纳米的连续聚合物多孔隙纳米纤维层，纳米纤维层的孔径在4um-6um的孔的比例占95％以上，纳米层的克重为4.5g／m²，纳米纤维为三维卷曲形态，纳米纤维层的孔隙率为95％以上；当以表面速度为5.33cm／s的气流过滤平均粒径为0.3μm颗粒时，所述过滤材料纳米纤维层的过滤效率为85％以上，初始压降为3mmH₂O，所述的过滤材料的过滤品质因数Q_F为0.08(1／mmH₂O)。

实施例2

所述的纳米纤维过滤材料采用中国发明专利ZL201110041792.3中的溶液喷射纺丝技术制备而成，具体为通过溶液喷射纺丝技术制备聚丙烯腈(PAN)聚合物的14％N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液制备纳米纤维层。所得纳米纤维过滤材料的直径为200-500纳米的连续聚合物多孔隙纳米纤维层，纳米纤维层的孔径在2um-5um的孔的比例占95％以上，纳米层的克重为3.5g／m²，纳米纤维为三维卷曲形态，纳米纤维层的孔隙率为90％；当以表面速度为5.33cm／s的气流过滤平均粒径为0.3μm颗粒时，所述过滤材料纳米纤维层的过滤效率为90％以上，初始压降为5mmH₂O，所述的过滤材料的过滤品质因数Q_F为0.07(1／mmH₂O)。

实施例3

所述的纳米纤维过滤材料采用中国发明专利ZL201110041792.3中的溶液喷射纺丝技术制备而成，具体为通过溶液喷射纺丝技术制备聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物的12％N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶液制备纳米纤维层。所得纳米纤维过滤材料的直径为50-200纳米的连续聚合物多孔隙纳米纤维层，纳米纤维层中孔径在1um-2um的孔的比例占95％以上，纳米层的克重为2.5g／m²，纳米纤维为三维卷曲形态，纳米纤维层的孔隙率为95％以上；当以表面速度为5.33cm／s的气流过滤平均粒径为0.3μm颗粒时，所述过滤材料纳米纤维层的过滤效率为95％以上，初始压降为8mmH₂O，所述的过滤材料的过滤品质因数Q_F为0.06(1／mmH₂O)。

实施例4

所述的纳米纤维过滤材料采用中国发明专利ZL201110041792.3中的溶液喷射纺丝技术制备而成，具体为通过溶液喷射纺丝技术制备尼龙6聚合物的18％无水甲酸溶液制备纳米纤维层。所得纳米纤维过滤材料的直径为500-700纳米的连续聚合物多孔隙纳米纤维层，纳米纤维层中孔径在4um-6um的孔的比例占95％以上，纳米层的克重为4.5g／m²，纳米纤维为三维卷曲形态，纳米纤维层的孔隙率为95％以上；接收装置上铺有一层40g／m²单位重量的纺粘非织造布，得到纺粘／纳米纤维层结构的复合纳米纤维过滤材料。当以表面速度为5.33cm／s的气流过滤平均粒径为0.3μm颗粒时，所述过滤材料纳米纤维层的过滤效率为85％以上，初始压降为3mmH₂O，所述的过滤材料的过滤品质因数Q_F为0.08(1／mmH₂O)。

实施例5

按照实施例4所述制成纺粘／纳米纤维层结构，但纳米纤维层具有更高的单位重量。制得的结构测量产品的过滤效率和压降，以及计算品质因数Q_F的值，结果在表1中给出。

表1

实施例6-9

通过溶液喷射纺丝技术制备的尼龙6聚合物的14％-20％浓度的无水甲酸溶液制备纳米纤维层。如实施例5形成熔喷／纳米纤维层结构的过滤材料，只是实施例6-9的过滤材料具有更多层纳米纤维层。所述的支撑层为基重为12g／m²的熔喷布，表2列出了各材料的结构、纳米纤维层的基重、纳米纤维层的厚度、过滤材料的过滤效率、压降和品质因数Q_F值。

表2

Claims

1.一种纳米纤维过滤材料，包括至少一层直径小于1000nm的连续聚合物纤维组成的多孔隙纳米纤维层，其特征在于，所述的纳米纤维是采用溶液喷射纺丝技术制备而成，各纳米纤维层的克重为至少1.5g／m²，纳米纤维呈三维卷曲形态，纤维层的孔隙率占95％以上，纤维层中孔径在1um-10um的孔的比例占95％以上；

所述的聚合物包括聚丙烯腈、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚砜、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇吡咯烷酮和聚氧乙烯中的一种或两种及以上混合物。

2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维过滤材料，其特征在于，所述的过滤材料中的纳米纤维的直径为100nm-700nm。

3.根据权利要求1所述的一种纳米纤维过滤材料，其特征在于，当以表面速度为5.33cm／s的气流过滤平均粒径为0.3μm颗粒时，所述过滤材料纳米纤维层的过滤效率至少为40％，初始压降小于8mmH₂O，所述的过滤材料的过滤品质因数Q_F高于0.06(1／mmH₂O)，所述的纳米纤维过滤材料具有高过滤效率和低过滤阻力的特点。

4.根据权利要求1所述的一种纳米纤维过滤材料，其特征在于，所述的过滤材料还包括支撑层。

5.根据权利要求1和权利要求4所述的一种纳米纤维过滤材料，其特征在于，所述的过滤材料支撑层为一层或多层，或三明治夹层式支撑层。

6.根据权利要求1和权利要求4所述的一种纳米纤维过滤材料，其特征在于，所述的过滤材料支撑层包括纱布、网结构材料、纺织品和非织造布。