CN105040271A - 一种纳米纤维过滤材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米纤维过滤材料，其特征在于：包括过滤基材和在过滤基材上形成的纳米纤维层；所述过滤基材与纳米纤维层的质量比为100:1～600:1。本发明通过静电纺丝技术，在传统纺织品表面复合了一层纳米级纤维材料层，纳米纤维细度在几十至几百纳米之间，纤维之间错综交联，具有超高数量级的纳米级微孔，孔隙率在90％以上，纤维层厚度可根据不同产品的需求设计加工，可达到PM2.5及其以上的粉尘完全过滤，实现零排放，并可根据工况及复合材料的特点选择不同原料加工纳米纤维层，同时满足过滤精度、工况温度、化学条件等多方面需求。成品的运行阻力低，过滤速度快；使用寿命长，可重复使用，从而大大降低了运行费用，获得更高的性价比。

Description

一种纳米纤维过滤材料及其制备方法

技术领域

本发明属于耐高温纤维过滤材料领域，具体涉及一种纳米纤维过滤材料及其制备方法。

背景技术

袋式除尘器以其过滤效率高、性能稳定、粉尘易处理、使用灵活等特点，逐渐取代了原有的高温烟尘过滤方式。随着当前环境治理的需求越来越迫切，市场上对袋式除尘的数量需求及性能要求也越来越高。过滤材料是袋式除尘设备的主要工作原件之一，其以纤维作为基材，采用各种纺织品结构将工业生产中所释放出的大量的粉尘阻挡在大气环境之外，保护我们的生存环境减少甚至避免其受损害，其过滤效率达到99％以上，工况中可满足烟尘含量＜30mg/m³的标准要求。由于袋式除尘器采用的纤维材料都是基于传统生产方式的纤维产品，其截面普遍为圆形或椭圆形、细度为1.5D-2D，较细的纤维细度约为1D左右，这样的细度范围限定了滤料产品中纤维之间纵横交错所形成的空隙的尺寸及滤料整体的比表面积大小。为了提高滤料的比表面积，一些公司改变了纤维的截面形状，如国外Evonik公司的P84聚酰亚胺纤维采用三叶形的截面形状，有效地提高了材料的比表面积，从而提升了过滤材料的过滤精度，使过滤后的烟气含尘量更低，过滤效率甚至可以达到99.9％，VDI测试在1000Pa定压喷吹2小时清洁气体粉尘浓度可达到0.08mg/m³，工况中可满足烟尘含量＜20mg/m³的要求。由于环境要求逐渐提高，为了达到更高的过滤效率，一些工况选择覆膜类滤料进行烟气过滤。覆膜类滤料采用PTFE微孔膜技术，在传统滤料的迎尘层表面通过热压或胶联等技术手段，使滤料与膜材复合成一个统一的整体，由于PTFE膜上的微孔直径在0.2～15μm之间，空隙率达85％以上，使烟尘通过滤料时，气体顺利地穿过滤料，而粉尘则被PTFE膜阻挡下来，其过滤效率高达99.99％以上，通过VDI测试在1000Pa定压喷吹2小时清洁气体粉尘浓度可达到0.05mg/m³，工况中可满足烟尘含量＜10mg/m³的要求。

随着人们对环境的重视程度逐渐提升，我们发现，从前评判工业烟气中粉尘含量是否达标的PM10(大气中直径小于或等于10微米的颗粒物)指标已经无法满足人们对环境和健康的基本要求，PM2.5(大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物)已成为我们生活中必须面对的一大隐性杀手，不断地侵害着我们的身体和生活。

发明内容

伴随着对工业烟气中PM2.5的限制，袋式除尘设备的过滤精度再次成为人们关注的重点，为了弥补传统过滤材料的不足，提高产品过滤效率，减少甚至去除PM2.5的排放量，保护大气环境的清洁与安全，我们发明了新的过滤材料及其加工方法。本发明通过静电纺丝技术，在传统纺织品表面复合了一层纳米级纤维材料层，纳米纤维细度在几十至几百纳米之间，纤维之间错综交联，具有超高数量级的纳米级微孔，孔隙率在90％以上，纤维层厚度可根据不同产品的需求设计加工，可达到PM2.5及其以上的粉尘完全过滤，实现零排放，并可根据工况及复合材料的特点选择不同原料加工纳米纤维层，同时满足过滤精度、工况温度、化学条件等多方面需求。成品的运行阻力低，过滤速度快；使用寿命长，可重复使用，从而大大降低了运行费用，获得更高的性价比。

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种纳米纤维过滤材料，其包括过滤基材和在过滤基材上形成的纳米纤维层。

所述过滤基材与纳米纤维层的质量比为100:1～600:1。

所述过滤基材为无纺材料或机织材料，克重为300～600gsm(gsm＝克每平方米)。

当过滤基材为无纺材料时，所述过滤基材为针刺或水刺无纺材料，所述针刺或水刺无纺材料是从纤维中选择一种或多种单独或与基布一起通过常规水刺或针刺工艺制成的无纺材料；

所述纤维包括有机纤维和无机纤维；所述有机纤维包括芳砜纶(PSA)纤维、芳纶类纤维(如聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和聚间苯二甲酰间苯二胺纤维等)、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚噁二唑纤维、聚苯并咪唑(PBI)纤维、聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维、改性腈纶纤维、亚克力纤维、聚酯纤维等；所述无机纤维包括玻璃纤维(如无碱玻璃纤维等)、碳纤维、玄武岩纤维、石英纤维、钛酸钾晶须纤维等。

当过滤材料为机织材料时，所述机织材料为单层或双层机织织物。

当机织材料为单层机织织物时，直接在机织材料表面形成纳米纤维层。

当机制材料为双层机织织物时，其中一层为强力支撑层，另一层为纳米纤维复合层，纳米纤维复合层用于在其外表面形成纳米纤维层。

所述机织织物由以下有机或无机纤维通过常规机织工艺制得：有机纤维包括芳香族聚砜酰胺纤维(如PSA纤维、聚苯砜对苯二甲酰胺纤维等)、芳纶类纤维(如聚对苯二甲酰对苯二胺纤维和聚间苯二甲酰间苯二胺纤维等)、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚噁二唑纤维、聚苯并咪唑(PBI)纤维、聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维、改性腈纶纤维、亚克力纤维、聚酯纤维等；无机纤维包括玻璃纤维(如无碱玻璃纤维等)、碳纤维、玄武岩纤维、石英纤维、钛酸钾晶须纤维等。

优选的，所述过滤基材为双层机织织物，其中强力支撑层，满足工况强度要求，对纳米纤维过滤材料的整体起到支撑作用，纳米纤维复合层，表面光洁，易于在其表面形成纳米纤维层。

进一步优选的，所述强力支撑层为PSA纤维制成的机织织物；所述纳米纤维复合层是由PSA纤维、玄武岩纤维、无碱玻璃纤维、钛酸钾晶须纤维按重量比3:1:1:1共混后制成的机织织物。

所述纳米纤维层是将聚合物制成溶液或熔体后，经过静电喷丝法复合到过滤基材上形成的；所述聚合物选自芳香族聚砜酰胺材料(如PSA、聚苯砜对苯二甲酰胺等)、芳纶类材料(如聚对苯二甲酰对苯二胺和聚间苯二甲酰间苯二胺等)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰亚胺、聚噁二唑、聚苯并咪唑(PBI)、聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)、改性腈纶、亚克力、聚酯(PET)等中的一种或多种的混合物。

在酸性或碱性环境中，所述聚合物优选为PPS，在高温环境中，所述聚合物优选为PSA。

优选的，所述聚合物为聚酰亚胺、聚苯并咪唑和聚对苯二甲酰对苯二胺按重量比1:1:1的共混物。

将聚合物制成溶液的方法为将聚合物溶解于有机溶剂中，在加热或不加热的条件下溶解，得到的聚合物溶液中溶质的质量分数为20～50％。

所述有机溶剂选自二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)或二甲基甲酰胺(DMAC)，优选为二甲基乙酰胺(DMAC)。

将聚合物制成熔体的方法为，将聚合物加热熔融。

静电纺丝法即聚合物喷射静电拉伸纺丝法，一般过程为：首先将聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力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。在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静电压并处于一个电场当中，因此，当射流从毛细管末端向接收装置运动时，都会出现加速现象，从而导致了射流在电场中的拉伸。

聚合物喷射静电拉伸纺丝法是目前制备纳米纤维的主要方法之一，制得的纳米纤维的纤度一般为纤度为0.000001dtex～0.0005dtex，直径为10～200nm的纤维。

静电纺丝法使用的静电纺丝机，一般为6-8个纺丝喷头，纺丝速度为0.3～1m/min。

本发明还提供了所述纳米纤维过滤材料的制备方法，其包括以下步骤：

(i)制备无纺材料或机织材料作为过滤基材；

(ii)将步骤(i)中的过滤基材进行烧毛处理或烧毛、轧光处理；

(iii)将聚合物制成溶液或熔体后，在经过步骤(ii)处理后的过滤基材表面进行静电喷丝加工，形成纳米纤维层；

(vi)将过滤基材及其表面形成的纳米纤维层进行热轧，使纳米纤维层与过滤基材紧密复合，形成具有一定厚度和密度纳米纤维层结构的过滤材料。

本发明还涉及一种过滤装置，其包含上述的纳米纤维过滤材料。

具体实施方式

实施例和对比例中使用的玄武岩纤维是四川航天拓鑫公司生产的，单丝直径为9-13μm，强度为0.50-0.55N/Tex；钛酸钾晶须纤维为日本大冢化学公司生产的TISMO(商品名称)；无碱玻璃纤维为东安鑫建玻璃纤维有限公司生产的无碱短玻纤；玻璃纤维长丝为南京绿洲建筑材料厂生产的高碱玻璃纤维长丝，纤维直径18-20μm。

实施例1

以PSA纤维作为面层纤维材料，投入混棉箱中，经过开松机开松喂给到梳棉机中。经充分梳理后得到的纤维网经交叉卷绕设备，使短纤维网转变为交叉层叠的多层纤维层，在两层上述多层纤维层中放入120gsm100％PTFE基布，以上结构经过青岛纺机针刺机预刺加固后，再将预刺结构按照750针/min的主针刺密度进行双面针刺，制得550gsm的过滤基材。上述过滤毡经烧毛工序后，按照设计的宽度裁切成宽55cm的筒卷。将聚苯砜对苯二甲酰胺溶于DMAC溶剂中，浓度为50％，溶质完全溶解后加入静电纺丝设备中。将才切好的筒卷喂入静电纺丝机中，按照8gsm的克重，打开8个纺丝喷头，速度为0.91m/min，在过滤基材面层上形成纳米纤维层后，经热轧工序，使纳米纤维层与过滤基材紧密复合，形成实施例1的过滤材料。

实施例2

采用玻璃纤维长丝纺纱，按照350gsm的克重，按照设计幅宽55cm以斜纹组织织造玻璃纤维机织布作为过滤基材，安装在静电纺丝设备上。将聚苯砜对苯二甲酰胺溶于DMAC溶剂中，浓度为50％，溶质完全溶解后加入静电纺丝设备中，按照5gsm的克重，打开6个纺丝喷头，速度为0.43m/min，在玻璃纤维机织布过滤基材上形成纳米纤维层后，经热轧工序，使纳米纤维层与滤料基材紧密复合，形成实施例2的过滤材料。

实施例3

采用2D×51mmPSA纤维，经开松、梳棉、并条、粗纱、细纱、合股等常规纺纱工序，加工成18s/3的纱线,采用1.5D×51mmPSA纤维，经开松、梳棉、并条、粗纱、细纱、合股等常规纺纱工序，加工成40s/2的纱线，以上纱线按照设计幅宽55cm，350gsm克重，以双层织物组织织造成芳砜纶机织布作为过滤基材，其中一层为40s/2纱线织造而成，是纳米纤维复合层，一层为18s/3纱线织造而成，是强力支撑层。将该过滤基材安装在静电纺丝设备上。将聚苯砜对苯二甲酰胺溶于DMAC溶剂中，浓度为20％，溶质完全溶解后加入静电纺丝设备中，按照10gsm的克重，打开8个纺丝喷头，速度为0.3m/min，在芳砜纶机织布过滤基材上形成纳米纤维层后，经热轧工序，使纳米纤维层与滤料基材紧密复合，形成实施例3的过滤材料。

实施例4

参照实施例3所述方式制备，其中，纳米纤维复合层是为由1.5D×51mmPSA纤维、玄武岩纤维、无碱玻璃纤维、钛酸钾晶须纤维按重量比3:1:1:1共混后，经开松、梳棉、并条、粗纱、细纱、合股等常规纺纱工序，加工成40s/2的纱线织造而成的机织织物，得到实施例4的过滤材料。

实施例5

参照实施例3所述方式制备，其中，纳米纤维复合层是为由1.5D×51mmPSA纤维、玄武岩纤维、无碱玻璃纤维按重量比3:1.5:1.5共混后，经开松、梳棉、并条、粗纱、细纱、合股等常规纺纱工序，加工成40s/2的纱线织造而成的机织织物，得到实施例5的过滤材料。

实施例6

参照实施例3所述方式制备，其中，纳米纤维复合层是为由1.5D×51mmPSA纤维、玄武岩纤维、钛酸钾晶须纤维按重量比3:1.5:1.5共混后，经开松、梳棉、并条、粗纱、细纱、合股等常规纺纱工序，加工成40s/2的纱线织造而成的机织织物，得到实施例6的过滤材料。

实施例7

参照实施例3所述方式制备，其中，纳米纤维复合层是为由1.5D×51mmPSA纤维、无碱玻璃纤维、钛酸钾晶须纤维按重量比3:1.5:1.5共混后，经开松、梳棉、并条、粗纱、细纱、合股等常规纺纱工序，加工成40s/2的纱线织造而成的机织织物，得到实施例7的过滤材料。

实施例8

按照实施例4所述方式制备，其中，所述聚苯砜对苯二甲酰胺替换为聚酰亚胺、聚苯并咪唑和聚对苯二甲酰对苯二胺按重量比1:1:1的共混物，得到实施例8的过滤材料。

实施例9

按照实施例4所述方式制备，其中，所述聚苯砜对苯二甲酰胺替换为聚苯并咪唑和聚对苯二甲酰对苯二胺按重量比1:1的共混物，得到实施例9的过滤材料。

实施例10

按照实施例4所述方式制备，其中，所述聚苯砜对苯二甲酰胺替换为聚酰亚胺和聚对苯二甲酰对苯二胺按重量比1:1的共混物，得到实施例10的过滤材料。

实施例11

按照实施例4所述方式制备，其中，所述聚苯砜对苯二甲酰胺替换为聚酰亚胺和聚苯并咪唑按重量比1:1的共混物，得到实施例11的过滤材料。

测试例1

对实施例1-11的过滤材料在200℃×24h条件下进行处理，评判其耐热性能。处理后的产品在环境温度为20℃，相对湿度为65％的实验室条件放置24h后，剪裁成尺寸为30cm×5cm的测试样品，并使用HD026N+型电子织物强力仪测定样品处理前后的强力值。样品夹持长度设定为200mm，拉伸速度为100mm/min，预加张力为2N，将样品两边分别夹持在织物强力仪的上下钳口之间，参照GB/T3923.1-1997《纺织品织物拉伸性能第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定条样法》标准方法，对样品进行拉伸，获得样品强力后，计算样品的纵向强力保持率和横向保持率，结果见表1。

测试例2

再将放置在环境温度为20℃，相对湿度为65％的实验室条件24h后的样品仔细剪裁成100mm×100mm的样品后，放入调试稳定的200℃×2h的高温烘箱中处理，处理后的样品在环境温度为20℃，相对湿度为65％的实验室条件放置24h后，测量其纵横向尺寸变化，得到纵向高温收缩率和横向高温收缩率，结果见表1。

测试例3

将放置在环境温度为20℃，相对湿度为65％的实验室中24h后的样品，依据GB/T5453《纺织品织物透气性的测定》在200Pa压强下进行透气量测试和VDI测试,，结果见表1，VDI测试结果是1000Pa定压喷吹2小时后清洁气体粉尘浓度。

表1实施例1-11过滤材料性能测试结果

由表1数据可见，使用本发明的过滤材料，具有良好的耐高温性能及过滤粉尘的效果。其中，实施例4-8采用了双层机织织物作为过滤基材，其中PSA纤维与无机纤维共混作为纳米纤维复合层的材料，效果佳。尤其是实施例4，与实施例5-7相比较，无机纤维使用了玄武岩纤维、钛酸钾晶须纤维和无碱玻璃纤维按重量比1:1:1共混而成，透气量更大，粉尘浓度更低，也起到了协同增效的作用。实施例8-11使用了复配的聚合物作为纳米纤维层的原料，使得过滤材料性能更优，尤其是实施例8，与实施例9-11相比较，使用了聚酰亚胺、聚苯并咪唑和聚对苯二甲酰对苯二胺按重量比1:1:1复配的聚合物，透气量更大，粉尘浓度更低，取得了协同增效的技术效果。

Claims (10)

1.一种纳米纤维过滤材料，其特征在于：包括过滤基材和在过滤基材上形成的纳米纤维层；所述过滤基材与纳米纤维层的质量比为100:1～600:1。

2.如权利要求1所述的纳米过滤材料，其特征在于：所述过滤基材为无纺材料或机织材料，克重为300～600gsm。

3.如权利要求2所述的纳米过滤材料，其特征在于：所述过滤基材为针刺或水刺无纺材料；所述针刺或水刺无纺材料是从纤维中选择一种或多种单独或与基布一起通过常规水刺或针刺工艺制成的无纺材料；所述纤维包括有机纤维和无机纤维；所述有机纤维包括芳砜纶纤维、芳纶类纤维、聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚噁二唑纤维、聚苯并咪唑纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、改性腈纶纤维、亚克力纤维、聚酯纤维；所述无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、石英纤维、钛酸钾晶须纤维。

4.如权利要求2所述的纳米过滤材料，其特征在于：所述过滤基材为机织材料；所述机织材料为单层或双层机织织物；

当机织材料为单层机织织物时，直接在机织材料表面形成纳米纤维层；

当机织材料为双层机织织物时，其中一层为强力支撑层，另一层为纳米纤维复合层，纳米纤维复合层用于在其外表面形成纳米纤维层。

5.如权利要求4所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于：所述机织材料为双层机织织物，所述强力支撑层为PSA纤维制成的机织织物；所述纳米纤维复合层是由PSA纤维、玄武岩纤维、无碱玻璃纤维、钛酸钾晶须纤维按重量比3:1:1:1共混后制成的机织织物。

6.如权利要求1所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于：所述纳米纤维层是将聚合物制成溶液或熔体后，经过静电喷丝法复合到过滤基材上形成的；所述聚合物选自芳砜纶、芳纶类材料、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚噁二唑、聚苯并咪唑、聚对苯撑苯并二噁唑、改性腈纶、亚克力、聚酯中的一种或多种的混合物。

7.如权利要求6所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于：所述聚合物为聚酰亚胺、聚苯并咪唑和聚对苯二甲酰对苯二胺按重量比1:1:1的共混物。

8.如权利要求1所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于：所述纳米纤维层中纳米纤维的纤度为0.000001dtex～0.0005dtex，直径为10～200nm。

9.权利要求1～8中任一项所述纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(i)制备无纺材料或机织材料作为过滤基材；

(ii)将步骤(i)中的过滤基材进行烧毛处理或烧毛、轧光处理；

(iii)将聚合物制成溶液或熔体后，在经过步骤(ii)处理后的过滤基材表面进行静电喷丝加工，形成纳米纤维层；

(vi)将过滤基材及其表面形成的纳米纤维层进行热轧，使纳米纤维层与过滤基材紧密复合，形成具有一定厚度和密度纳米纤维层结构的过滤材料。

10.一种过滤装置，其特征在于：包含权利要求1～7中任一项所述的纳米纤维过滤材料。