CN104474788B - 一种有效过滤pm2.5的滤材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有效过滤PM2.5的滤材及其制备方法，特点是以聚偏氟乙烯为有效过滤层材料，在相分离法制备过程中复合在下部支撑层材料上，并经过电晕放电驻极处理，获得孔径大小为0.3-5μm的有效过滤PM2.5的滤材，具体包括以下步骤：将聚偏氟乙烯和溶剂及添加剂共混搅拌溶解，得到均一透明的溶液；再将溶液涂布于支撑体上，涂布厚度控制为0.1-1.0mm，然后浸入固化液中固化；待其自然干燥后，对其给予电晕放电驻极处理，得到产品，优点是同时兼备对PM2.5的高截留率和低压降低能耗的优良性能，耐磨性能强，使用寿命长，且具有良好的通气性。
Description
技术领域
本发明涉及一种过滤材料及其应用，尤其涉及一种可有效过滤PM2.5的滤材及其制备方法。
背景技术
近些年来我国经济发展迅速，人们生活水平显著提高。但经济发展的同时，也带来了严峻的环境问题。能源燃烧、工业生产、汽车尾气排放等排放的残留物、尤其是PM2.5对人的呼吸健康影响巨大。PM2.5是指动力学当量直径小于或等于2.5微米的颗粒物，可直接进入肺泡，进入血液循环，到达全身各处。随着对大气颗粒物的深入研究，人们逐渐认识到PM2.5对空气环境污染和人体健康危害的严重性。2012年2月29日，国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，同意发布新修订的《环境空气质量标准》，把PM2.5写入国标，纳入各省市强制监测范畴。
室内活动防止PM2.5的有效方法通常是选择安装室内空气过滤装置，室外活动防止PM2.5最简单的办法就是戴口罩，而这两种装置都涉及到了能有效过滤PM2.5的空气过滤材料。空气过滤材料主要考虑过滤效率和过滤压降两项性能指标，对于一般过滤材料而言，这两项性能往往是互相矛盾的，过滤效率越高，过滤压降越大。目前比较普遍的空气过滤材料为无纺布，因其孔径较大，过滤压降小，对10μm以上的粒子具有良好的过滤效果，但对粒径小于3μm的颗粒物过滤效率大幅下降，因此用其制备的过滤装置和口罩对PM2.5的截留率效果亦达不到理想状态。
例如中国实用新型专利（CN104096537A）介绍的一种含活性炭的空气过滤材料，该材料由上下两层无纺布层及其中间夹持活性炭层构成，虽然制备简单，但是对于PM2.5这种微小颗粒来说，防尘效果并不显著。又如中国实用新型专利（CN202951353U）介绍了一种阶梯过滤的多层复合空气过滤材料，包括第一层无纺布、第二层无纺布、第三层无纺布、玻璃纤维层、第四层无纺布，其对不同粒径的颗粒起到良好的过滤效果，却存在过滤压降大的缺点，并不适用于日常生活的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种同时兼备对PM2.5的高截留率和低压降低能耗的优良性能，耐磨性能强，使用寿命长，且具有良好的通气性的有效过滤PM2.5的滤材及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种有效过滤PM2.5的滤材，以聚偏氟乙烯（PVDF）为有效过滤层材料，在相分离法制备过程中复合在下部支撑层材料上，并经过电晕放电驻极处理，获得孔径大小为0.3-5μm的有效过滤PM2.5的滤材。
所述的滤材孔径范围优选为0.5-3.5μm。
一种有效过滤PM2.5的滤材的制备方法，具体包括以下步骤：将聚偏氟乙烯（PVDF）和溶剂及添加剂共混搅拌溶解，得到均一透明的溶液；再将溶液涂布于支撑体上，涂布厚度控制为0.1-1.0mm，然后浸入固化液中固化；待其自然干燥后，对其给予电晕放电驻极处理，得到孔径大小为0.3-5μm的有效过滤PM2.5的滤材。
所述的溶液中聚偏氟乙烯的质量浓度为10-20%、溶剂的质量浓度为50-80%以及添加剂的质量浓度为1-30%，所述的固化液为水和所述的溶剂两者按比例组成的混合液，所述的混合液中溶剂的体积浓度范围为0-60%。
所述的溶剂为N,N-二甲基乙酰胺或N,N-二甲基甲酰胺，所述的添加剂成分为乙醇、异丙醇、聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙二醇，甘油和水中的至少一种，其中任一种添加剂成分在所述的溶液中的质量浓度为0-20%。
所述的混合液中溶剂的体积浓度优选为0-30%。
所述的电晕放电处理采用的工作频率为10KHz-15KHz，放电电压为10-15kV，处理时间5-60s。
所述的支撑体为无纺布或织造布，所述的支撑体的制备材料包括聚酯、丙纶、晴纶、锦纶、维纶或氨纶。
所述的溶液的涂布厚度优选控制为0.3-0.5mm。
所述的滤材孔径范围优选为0.5-3.5μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明首次公开了一种有效过滤PM2.5的滤材及其制备方法，该滤材同时兼备对PM2.5的高截留率和低压降低能耗的优良性能，耐磨性能强，使用寿命长，适用于口罩、室内空气过滤器和车内空气过滤器等的过滤材料，并且起过滤作用的PVDF滤层其孔径大小是可以控制的，可以通过改变其孔径大小来调控过滤材料的截留率和压力降的变化。在对PM2.5的检测过程中，经本发明滤材过滤后的气体PM2.5的浓度小于15μg/m3，满足《环境空气质量标准》GB3095-2012中要求的15μg/m3的一级空气标准，同时具有良好的通气性。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
一、实验测定方法
（1）过滤材料孔径与结构的测定
采用泡点-流速法孔径分布测定仪（根据宁波大学发明专利：全自动微滤膜孔径分布测定仪及其自动测定方法和应用ZL201010572988.0）测定PVDF双层复合滤材的孔径分布。在过滤材料上截取圆片，置于浸泡液中浸泡至半透明状态，取出并用滤纸吸干表面附着的液体后铺于检测器上，进行检测。浸泡液为异丙醇，压力源为氮气。
PM2.5的颗粒截留率（%）：试验所用气源由空气压缩机和自制粉尘发生装置供给，粉尘发生装置采用一个内置炭粉的密封容器，炭粉在不充分供氧的条件下燃烧产生固体颗粒。气源PM2.5值稳定在（103±10）μg/m3范围。采用PM2.5空气检测仪分别测量含尘空气、净化后空气中PM2.5浓度值，对PM2.5的颗粒截留率定义如下：
η=（1-N2/N1）×100%
式中：N1--过滤前含尘空气中PM2.5浓度平均值（μg/m3）
N2--经过滤净化后空气中PM2.5浓度平均值（μg/m3）。
（2）过滤压降（Pa）：采用U型差压计测量过滤材料的过滤压降。
二、具体实施例
实施例1
将制备材料按照质量比PVDF：N,N-二甲基乙酰胺：聚乙烯吡咯烷酮：甘油：乙醇为11：69：4：2：14的比例混合搅拌，形成均一透明的溶液后涂布于聚酯熔喷无纺布上,控制其涂布厚度为0.3mm，浸入30wt%的N,N-二甲基乙酰胺水溶液中固化。待其自然干燥后，采用工作频率为10KHz的高频电源在放电电压12kV条件下电晕放电处理60s，得到滤材。制得的滤材的孔径分布为1.0μm-1.2μm，裁制成矩形，尺寸为50cm×35cm，梳格式折叠封装后，对初始PM2.5浓度为104.8μg/m3的含尘气体经过滤试验测试，在过滤气流量为1000L/min时，过滤压降为65pa，过滤后PM2.5的浓度为2.9μg/m3。
实施例2
将制备材料按照质量比PVDF：N,N-二甲基乙酰胺：聚乙烯吡咯烷酮：聚乙二醇：乙醇：水=12：70：3：2：10：3为的比例混合搅拌，形成均一透明的溶液后涂布于聚酯熔喷无纺布上并控制厚度为0.4mm，浸入20wt%的N,N-二甲基乙酰胺水溶液中固化。待其自然干燥后，采用工作频率为14KHz的高频电源在放电电压12.5kV条件下电晕放电处理50s，得到滤材，其孔径分布范围为0.7-1.0μm。裁制成矩形，尺寸为15cm×10cm，将其制成口罩，包括用于覆盖戴用者的口部及鼻部的口罩本体，口罩本体包括上下两层医用棉纱的膜衬和夹在膜衬之间的滤材。对初始PM2.5浓度为106.1μg/m3的含尘气体经过滤试验测试，在控制气流量85L/min时，过滤压降为74pa，过滤后PM2.5的浓度为0.2μg/m3。
实施例3
将制备材料按照质量比PVDF：N,N-二甲基甲酰胺：聚乙烯吡咯烷酮：聚乙二醇：异丙醇：水=11：70：3：4：9：3的比例混合搅拌，形成均一透明的溶液后涂布于晴纶织造布上并控制厚度为0.3mm，浸入水中固化。待其自然干燥后，采用工作频率为14KHz的高频电源在放电电压12.5kV条件下电晕放电处理35s，得到滤材，其孔径分布范围为0.6-0.9μm。裁制成矩形，尺寸为15cm×10cm，将其制成口罩，包括用于覆盖戴用者的口部及鼻部的口罩本体，口罩本体包括上下两层医用棉纱的衬底和夹在衬底之间的滤材。对初始PM2.5浓度为105.3μg/m3的含尘气体经过滤试验测试，在控制气流量85L/min时，过滤压降为82pa，过滤后PM2.5的浓度为0.2μg/m3。
除上述实施例外，
上述溶液中聚偏氟乙烯的质量浓度还可以为10%、20%或者10-20%中的任一值、溶剂的质量浓度还可以为50%、80%或者50-80%中的任一值，添加剂的质量浓度还可以为1%、30%或者1-30%中的任一值；上述固化液还可以为水和溶剂两者按比例组成的混合液，混合液中溶剂的体积浓度还可以为0-60%中的任一值（优选为0-30%）。上述添加剂成分为乙醇、异丙醇、聚乙烯基吡咯烷酮，聚乙二醇，甘油和水中的至少一种，其中任一种添加剂成分在溶液中的质量浓度为0-20%。
上述电晕放电处理采用的工作频率还可以为10KHz、11KHz、13KHz、15KHz等，放电电压还可以为10kV、11kV、13kV、14kV、15kV等，处理时间还可以为30-60s中的任一值。
上述支撑体还可以为织造布，支撑体的制备材料还可以为丙纶、晴纶、锦纶、维纶或氨纶。制备的滤材孔径范围为0.3-5μm，优选为0.5-3.5μm。溶液的涂布厚度控制为0.1-1.0mm，优选为0.3-0.5mm。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种有效过滤PM2.5的滤材的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：将聚偏氟乙烯(PVDF)和溶剂及添加剂共混搅拌溶解，得到均一透明的溶液；再将溶液涂布于支撑体上，涂布厚度控制为0.1-1.0mm，浸入固化液中固化；待自然干燥后，对其给予电晕放电驻极处理，得到孔径大小为0.3-5μm的有效过滤PM2.5的滤材，所述的溶液中聚偏氟乙烯的质量浓度为10-20％、溶剂的质量浓度为50-80％以及添加剂的质量浓度为1-30％，所述的固化液为水和所述的溶剂两者按比例组成的混合液，所述的混合液中溶剂的体积浓度范围为0-60％，所述的溶剂为N,N-二甲基乙酰胺或N,N-二甲基甲酰胺，所述的添加剂为由乙醇、异丙醇、聚乙二醇、甘油和水中的至少两种和聚乙烯基吡咯烷酮组成，其中任一种添加剂成分在所述的溶液中的质量浓度为0-20％，所述的电晕放电处理采用的工作频率为10KHz-15KHz，放电电压为10-15kV，处理时间5-60s。
2.根据权利要求1所述的一种有效过滤PM2.5的滤材的制备方法，其特征在于：所述的混合液中溶剂的体积浓度范围优选为0-30％。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种有效过滤PM2.5的滤材的制备方法，其特征在于：所述的支撑体为无纺布或织造布，所述的支撑体的制备材料包括聚酯、丙纶、晴纶、锦纶、维纶或氨纶。
4.根据权利要求3所述的一种有效过滤PM2.5的滤材的制备方法，其特征在于：所述的溶液的涂布厚度优选控制为0.3-0.5mm。
5.根据权利要求3所述的一种有效过滤PM2.5的滤材的制备方法，其特征在于：所述的滤材孔径范围优选为0.5-3.5μm。
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