CN104250882B

CN104250882B - 滤材及其制造方法

Info

Publication number: CN104250882B
Application number: CN201310268007.7A
Authority: CN
Inventors: 戴崇峰; 简焕声
Original assignee: Taiwan Textile Research Institute
Current assignee: Taiwan Textile Research Institute
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2033-06-28
Also published as: CN104250882A

Abstract

本发明提供一种滤材及其制造方法，该滤材的制造方法，包括以下步骤。以第一纺丝装置形成多条第一纤维；以第二纺丝装置形成多条第二纤维；在承接装置上收集由第一纤维与第二纤维构成的具有三维非织结构的膜材；第一纤维的直径介于1μm～50μm之间，第二纤维的直径介于1nm～1000nm之间；第二纺丝装置位于第一纺丝装置与承接装置之间，且第一纤维与第二纤维在接触承接装置之前以随机方式彼此交穿排列，从而构成三维非织结构。

Description

滤材及其制造方法

技术领域

本发明是有关于一种滤材及其制造方法，且特别是有关于一种复合滤材及其制造方法。

背景技术

为提高人们的生活品质，有多种制作空气过滤器的设计方式已被提出。每一次技术变革都为室内空气品质带来显著的改善效果。一般而言，空气过滤器按净化技术分为：高效率微粒空气过滤器（high efficiency particulate air filter，HEPA）、活性炭空气过滤器、负离子空气过滤器等。

HEPA技术是空气过滤器中最热门的技术之一。商业中最常见的高效能空气过滤网HEPA和ULPA过滤介质或纸制品是由玻璃纤维和树脂粘结在一起的。这些纸制品是采用湿式成网的技术，其中纤维例如是硼硅酸盐玻璃纤维或纤维素纤维，被分散在水溶性粘合剂搅拌的浆液中，以使纤维彻底成为随机取向排列且具有较高的效率。然而HEPA及ULPA若要达到一定程度的过滤效果，其单位面积的重量都会大于70g/m²（以0.3μm微粒在10.5L/min流速下测试，过滤效率在99.97%以上、压损为32mmH₂O），往往产生很高的压损值。另外，玻璃纤维有密度大、空气阻力大、耐碱性差、脆性、熔点高及刺激皮肤等问题。因此，使用后的废弃物，难以采用燃烧的方式处理，造成回收上的诸多问题。

发明内容

本发明提供一种高滤效、低压损空气过滤用的滤材及其制造方法。

本发明的滤材的制造方法包括以下步骤。以第一纺丝装置形成多条第一纤维。以第二纺丝装置形成多条第二纤维。在承接装置上收集由第一纤维与第二纤维构成的具有三维非织（non-woven）结构的膜材，其中第一纤维的直径介于1μm～50μm之间，第二纤维的直径介于1nm～1000nm之间，第二纺丝装置位于第一纺丝装置与承接装置之间，且第一纤维与第二纤维在接触承接装置之前以随机方式彼此交穿排列，从而构成三维非织结构。

在本发明的一实施例中，第一纤维可为连续不断的长纤维或为纤维长度大于3mm的短纤维。

在本发明的一实施例中，第二纤维可为连续不断的长纤维。

在本发明的一实施例中，第一纺丝装置为熔喷装置，第二纺丝装置为电纺装置。

在本发明的一实施例中，以熔喷装置形成第一纤维时，以气体压力介于10psi～20psi的热空气牵伸第一纤维。

在本发明的一实施例中，电纺装置具有链状发射电极，并与高压电源进行连接，从而制备连续不断的纳米纤维，纳米纤维可同步汇入至第一纤维的结构中。

本发明的滤材包括由多条第一纤维组成的空间支撑层和散布于空间支撑层中的多条第二纤维。第一纤维的直径介于1μm～50μm之间，且第一纤维可为连续不断的长纤维或纤维长度大于3mm的短纤维。第二纤维的直径介于1nm～1000nm之间，且第二纤维与第一纤维彼此随机交穿排列，从而形成具有三维结构的微纳米复合结构过滤材。

在本发明的一实施例中，第一纤维是以熔喷（melt-blown）方式制成。第二纤维是以电纺（electrospinning）方式制成。

在本发明的一实施例中，第一纤维的直径介于1.0μm～50.0μm之间，且第二纤维的直径大于等于1.0nm而小于1000.0nm。

在本发明的一实施例中，以第一纤维和第二纤维的总重计，第二纤维占0.1%～50.0%。

在本发明的一实施例中，空间支撑层的单位面积重量为0.5g/m²～300.0g/m²。

本发明的空调过滤材包括上述的滤材。

基于上述，本发明提供一种滤材及其制造方法。该滤材由直径范围不同的两种纤维构成，且细纤维均匀散布在粗纤维构成的空间支撑层中。因此，滤材能具有出色的滤效，压损也不至于过高。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例作详细说明如下。

附图说明

图1是根据第一实施例所示制作滤材的设备的示意图；

图2是根据第二实施例所示滤材的示意图；

图3A和图3B是实验例3-3在不同倍率下的SEM照片。

附图标记说明：

10：设备；

100：熔喷装置；

102：加热器；

103：熔喷模具；

104：入料口；

105：进气口；

106：传动装置；

108：螺杆；

110：电纺装置；

112：链状发射电极；

114：高压电源；

120：承接装置；

150：第一纤维；

160：第二纤维；

170：膜材；

171：滤材；

172：第一纤维；

174：第二纤维。

具体实施方式

在本说明书中，由「一数值至另一数值」表示的范围，是一种避免在说明书中一一列举该范围中的所有数值的概要性表示方式。因此，某一特定数值范围的记载，即涵盖该数值范围内的任意数值以及由该数值范围内的任意数值界定出的较小数值范围，就如同在说明书中明文写出该任意数值和该较小数值范围一样。举例来说，一旦记载了「直径为10μm～100μm」的范围，不论说明书中是否列举其他数值，均涵盖「直径为50μm～80μm」的范围。

本发明的第一实施方式提供一种滤材的制造方法。以下将参照图1详细说明。

图1是根据第一实施例所示制作滤材的设备的示意图。

请参照图1，用来制造滤材的设备10包括第一纺丝装置和第二纺丝装置。在此，将第一纺丝装置示为熔喷装置100，而将第二纺丝装置示为电纺装置110。然而，本发明并不以此为限，只要通过第一纺丝装置和第二纺丝装置，可以形成如下所述的第一纤维、第二纤维和非织结构即可。举例来说，在其他实施方式中，第一纺丝装置也可以是纺粘（spun-bond）装置或熔纺（melt-spinning）装置，第二纺丝装置可以是熔喷装置或高压溶吹（solutionblown）装置。

作为熔喷装置100，第一纺丝装置包括加热器102、入料口104、传动装置106、螺杆108、熔喷模具103和进气口105。配合此实施方式，用来制作纤维的原料可以是任何适于进行熔喷制程的材料，例如聚丙烯、聚酯、聚氨酯、聚酰胺或聚苯硫醚。纤维原料由入料口104注入原料槽102中，并在其中受热而熔融。传动装置106可以带动螺杆108，使熔融体在原料加热器102中均匀混合。此外，热空气可由进气口105通入，使熔融的纤维原料从熔喷模具103的纺嘴喷出，从而形成多条第一纤维150。

熔喷模具103的纺嘴的孔径可以介于0.2mm与0.5mm之间。纺嘴的孔径可能影响第一纤维150的直径均匀度；例如，使用孔径为0.22mm的纺嘴，在其他制程条件固定时，其纤维均匀度可能比采用孔径0.5mm的纺嘴更佳。纺嘴的单孔吐出量可以介于0.01g/hole/min与0.5g/hole/min之间。因此，由熔喷装置100制成的第一纤维150的直径介于1μm～50μm之间。

第一纤维150的直径既取决于熔喷模具103的纺嘴孔径和单孔吐出量，也可能取决于熔喷时热空气的压力，以较佳的滤效为考量，牵引第一纤维150的热空气可具有介于10psi～20psi之间的气体压力。

由于熔喷制程可以形成连续不断的长纤维，因此，在本实施方式中，由熔喷方法形成的第一纤维150就长度而言没有特定的上限。至于其实际长度，则可以视纤维制品的性质所需，以现有的裁切方式作任意调整。举例来说，第一纤维150的长度可以大于3mm、大于8mm、大于20mm或大于50mm。相对地，在纺丝技术领域中，所谓“短”纤维，长度大约落在3mm～8mm之间，如果以短纤维制成滤网，由于纤维与纤维之间太多断点，其机械拦截效果可能较为不佳。就此观点而言，由熔喷制程形成的第一纤维150，其长度可以远长于一般所谓的短纤维，因此，由第一纤维150形成的制品可以具有更强的机械强度。当然，以上所述仅为第一纤维150的一种形态而已，本发明并不限制第一纤维150的制法或其长度。

此外，单独由第一纤维150构成的纤维网的单位面积重量可以在0.5克/平方公尺～300克/平方公尺之间，例如在15克/平方公尺～35克/平方公尺之间。

请继续参照图1，第二纤维160由电纺装置110形成，其直径介于1nm～1000nm之间。电纺装置110与高压电源114连接。电纺装置110可以是一般的电纺装置，或者可以具有链状发射电极112。通过链状发射电极112的设置，能使第二纤维160的直径分布更加均匀。在本实施方式中，第二纤维160的材料可以是适于电纺制程的任意材料，例如水性的聚乙烯醇（PVA）或油性的聚酰胺。此外，在纺丝液中还可以加入热交联剂，以提高纤维产品的耐水解性。例如，若纺丝液为聚乙烯醇溶液，则可以加入异氰酸酯（isocyanate）作为热交联剂。

如图1所示，电纺装置110设置在熔喷装置100和承接装置120之间。因此，在第一纤维150和第二纤维160接触承接装置120以前，第二纤维160就已汇入由第一纤维150构成的纤维网中，此时，第一纤维150和第二纤维160彼此交穿，从而形成三维的非织结构。这种设置可以使第二纤维160非常均匀地散布在第一纤维150构成的纤维网中。因此，就结构上来说，前述的三维非织结构是在单一层结构中同时存在不同尺寸的纤维，与现有的复合层结构（由粗纤维构成的纤维层和细纤维构成的纤维层复合而成）有所不同。

随后，在承接装置120上收集由第一纤维150和第二纤维160构成的具有三维非织结构的膜材170。视应用所需，经必要的裁切之后，膜材170可作为滤材使用。

图2是根据第二实施例所示滤材的示意图。以下将参照图2进一步说明由膜材170制得的滤材171。

请见图2，滤材171由第一纤维172和第二纤维174组成。除了可能经过必要的裁切以外，第一纤维172实质上相同于前述的第一纤维150，第二纤维174实质上相同于前述的第二纤维160。即，第一纤维172的直径可介于1μm～50μm之间，第二纤维174的直径可介于1nm～1000nm之间，两者的长度均无特定上限，且第一纤维172和第二纤维174彼此随机交穿排列。

由于第一纤维172的直径比第二纤维174更大，其耐受外力的能力更强，滤材171的机械强度主要由第一纤维172提供。就此观点，可以说第一纤维172构成滤材171的空间支撑层，而第二纤维174则散布在这个空间支撑层中，进一步提供过滤的效果。至于两者的相对比例，没有一定限制，只要能形成结构稳定的膜材即可。例如，以滤材170的总重计（即以第一纤维172和第二纤维174的总重计），第二纤维174可能占0.1%～50%。或者，以第一纤维172和第二纤维174的总数量计，第二纤维174可能占70%～80%。

滤材171与现有滤材相比，具有独特而优越的过滤性质，说明如下。首先应注意，压损和滤效为两种常见的滤材评估指标。压损的意义是：在气流流经具有滤材的过滤装置时，滤材对气流形成阻力，使气体流量减少；这种压力的损失即所谓压损。压损越大，过滤装置就需要越大的功率才能达到预定输送的风量，也就越耗能。至于滤效，则是指吸附至滤材上的粒子数量与流经滤材的所有粒子数量的比例，滤效越高，表示滤材的过滤能力越好。在滤材的相关技术领域中，已经发展出用纳米纤维制成滤材的技术，这种滤材有非常好的机械拦截效果，但是结构太过致密，造成压损过高。如果采用较为疏松的结构，则滤效又会有所不足。本发明的滤材171结合两种纤维制成复合结构，足以克服这种两难的情形，既能达到非常高的滤效，还可以将压损控制在很低的程度（例如，低于6mmH₂O）。以下将以实作实例和模拟实验证明。

另外，本发明也提供一种空调过滤网，包括前述的滤材171。在一种可能的实施方式中，滤材171可以和其他材料共同组成空调设备中的滤网，例如纸框滤网或箱型滤网。纸框滤网的组成步骤大致如下，首先将滤材贴合至镀锌铝网或镀锌铁网，由此支撑滤材，以免其变形；之后经过折景，再使用厚的纸板环绕包覆滤材，以达气密作用，并提供另一道支撑。箱型滤网的组成步骤也大致相似，差异在于，折景之后，是将滤材组装于箱体。当然，本发明并不限于这些实施方式，只要是包括前述滤材171的空调过滤网，均涵盖于本发明的范围之内。

〈实验〉

以下将参照实验实例，更具体地描述本发明。虽然描述了以下实验，但是在不超过本发明范围的情况下，可适当地改变所用材料、其量及比率、处理细节以及处理流程等等。因此，不应根据以下所述的实验对本发明作出限制性地解释。

实验1

比较例1-1：采用图1所示的设备10（然而，仅启动第一纺丝装置，不使用第二纺丝装置）以熔喷方法形成聚丙烯纤维。熔喷的制程条件如下：纺嘴孔径0.5mm；单孔纺嘴吐出量0.4～0.5g/hole/min；热空气牵伸压力10psi。在承接装置120上收集单独由聚丙烯纤维构成的不织布滤网，其纤维平均直径9.5μm，滤效20.9%，压损0.14mmH₂O。

实验例1-1至实验例1-4：采用图1所示的设备10，且同时使用第一纺丝装置和第二纺丝装置。以熔喷方法形成聚丙烯纤维，并以静电纺丝方法形成PVA纳米纤维。如第一实施方式中所述，PVA纳米纤维嵌埋在聚丙烯纤维中，两者相互交穿，形成具有三维非织结构的复合滤材。熔喷的制程条件与比较例1-1相同，电纺的制程条件如下：纺丝液为6wt%～12wt%的PVA溶液，粘度为300mPa·s；PVA与异氰酸酯（热交联剂）的比例为20：1；静电纺丝操作电压为40kV；滚轮转速为100cm/s；与链状发射电极的距离为12cm。

改变电纺丝工作电极的数量及转速，即可改变PVA纳米纤维在复合滤材中所占的比例，由此得到实验例1-1至实验例1-4的滤材。

比较例1-1以及实验例1-1至实验例1-4的滤网的滤效和压损一并呈现于表1，其中，实验例1-4展现高达99.1%的滤效和仅3.77mmH₂O的低压损。

表1

实验2

比较例2-1：采用图1所示的设备10，但仅启动第一纺丝装置，不使用第二纺丝装置。熔喷的制程条件如下：纺嘴孔径0.5mm；单孔纺嘴吐出量0.15～0.20g/hole/min；热空气牵伸压力20psi。在承接装置120上收集单独由聚丙烯纤维构成的不织布滤网，其纤维平均直径2.5μm，滤效72.4%，压损1.13mmH₂O。

实验例2-1至实验例2-3：采用图1所示的设备10，且同时使用第一纺丝装置和第二纺丝装置。以熔喷方法形成聚丙烯纤维，并以静电纺丝方法形成PVA纳米纤维。熔喷的制程条件与比较例2-1相同，电纺的制程条件与实验例1-1相同。同样地，通过改变电纺丝工作电极的数量，即可改变PVA纳米纤维在复合滤材中所占的比例，由此得到实验例2-1至实验例2-3的滤材。

比较例2-1以及实验例2-1至实验例2-3的滤网的滤效和压损一并呈现于表2，其中，实验例2-3展现高达99.2%的滤效和仅2.47mmH₂O的低压损。

表2

实验3

比较例3-1：采用图1所示的设备10，但仅启动第一纺丝装置，不使用第二纺丝装置。熔喷的制程条件如下：纺嘴孔径0.2mm；单孔纺嘴吐出量0.01～0.10g/hole/min；热空气牵伸压力20psi。在承接装置120上收集单独由聚丙烯纤维构成的不织布滤网，其纤维平均直径1.8μm，滤效84.25%，压损1.3mmH₂O。

实验例3-1至实验例3-3：采用图1所示的设备10，且同时使用第一纺丝装置和第二纺丝装置。以熔喷方法形成聚丙烯纤维，并以静电纺丝方法形成PVA纳米纤维。熔喷的制程条件与比较例3-1相同，电纺的制程条件与实验例1-1相同。同样地，通过改变电纺丝工作电极的数量，即可改变PVA纳米纤维在复合滤材中所占的比例，由此得到实验例3-1至实验例3-3的滤材。

比较例3-1以及实验例3-1至实验例3-3的滤网的滤效和压损一并呈现于表3，其中，实验例3-3展现高达99.98%的滤效和仅5.7mmH₂O的低压损。

此外，图3A和图3B是实验例3-3在不同倍率下的SEM照片，图3A和图3B呈现了实验例3-3的滤网的SEM照片。从图中可以清楚看出，按照本发明的方式形成的复合滤材，具有微米纤维和纳米纤维相互交穿的非织结构。

表3

实验4

取实验例3-3的复合滤材，裁切成10×10cm²的尺寸，制成Mini Pleat V Type型态的空气滤网。在风量602m³/hr、微粒尺寸0.3μm的条件下进行滤材寿命的测试，至压损到达20mmH₂O时停止测试。经多次实验后发现，这种尺寸的滤材，平均可以吸附0.0663g的粉尘。若换算成34×0.6cm²的标准尺寸，其容尘量可达135.252g，相当于一年的使用寿命，远高于目前已知的V Type滤网（容尘量60g）。

综上所述，本发明提供一种滤材和制造这种滤材的方法。该滤材由直径范围不同的两种纤维构成，且细纤维均匀散布在粗纤维构成的空间支撑层中。因此，滤材能具有出色的滤效，压损也不至于过高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种滤材的制造方法，其特征在于，包括：

以第一纺丝装置形成多条第一纤维；

以第二纺丝装置形成多条第二纤维；以及

在承接装置上收集由所述第一纤维与所述第二纤维构成的具有三维非织结构的膜材，其中

所述第一纤维的直径介于1μm～50μm之间，所述第二纤维的直径介于1nm～1000nm之间，所述第二纺丝装置位于所述第一纺丝装置与所述承接装置之间，且所述第一纤维与所述第二纤维在接触所述承接装置之前以随机方式彼此交穿排列，从而构成所述三维非织结构。

2.根据权利要求1所述的滤材的制造方法，其特征在于，所述第一纤维为连续不断的长纤维或为纤维长度大于3mm的短纤维。

3.根据权利要求1所述的滤材的制造方法，其特征在于，所述第二纤维为连续不断的长纤维。

4.根据权利要求1所述的滤材的制造方法，其特征在于，所述第一纺丝装置为熔喷装置，所述第二纺丝装置为电纺装置。

5.根据权利要求4所述的滤材的制造方法，其特征在于，在以所述熔喷装置形成所述第一纤维时，以气体压力介于10psi～20psi的热空气牵伸所述第一纤维。

6.根据权利要求4所述的滤材的制造方法，其特征在于，所述电纺装置具有链状发射电极，并与高压电源进行连接，从而制备连续不断的纳米纤维，所述纳米纤维同步汇入至所述第一纤维的结构中。

7.一种滤材，其特征在于，包括：

空间支撑层，由多条第一纤维组成，其中所述第一纤维的直径介于1μm～50μm之间，且所述第一纤维为连续不断的长纤维或纤维长度大于3mm的短纤维；以及

多条第二纤维，散布于所述空间支撑层中，其中所述第二纤维的直径介于1nm～1000nm之间，且所述第二纤维与所述第一纤维彼此随机交穿排列，从而形成具有三维结构的微纳米复合结构过滤材。

8.根据权利要求7所述的滤材，其特征在于，所述第一纤维是以熔喷方式制成；其中所述第二纤维是以电纺方式制成。

9.根据权利要求7所述的滤材，其特征在于，所述第一纤维的直径介于1.0μm～50.0μm之间，且所述第二纤维的直径大于等于1.0nm而小于1000.0nm。

10.根据权利要求7所述的滤材，其特征在于，以所述第一纤维和所述第二纤维的总重计，所述第二纤维占0.1％～50.0％。

11.根据权利要求7所述的滤材，其特征在于，所述空间支撑层的单位面积重量为0.5g/m²～300.0g/m²。

12.一种空调设备，其特征在于，包括如权利要求7～11任一项所述的滤材。