CN105771424A - 多孔材料、其制备方法以及应用该多孔材料的过滤元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔材料、其制备方法以及应用该多孔材料的过滤元件。多孔材料包括多孔材料基材以及附着于基材孔隙表面的热塑性树脂涂层。所述热塑性树脂涂层可以有效减小多孔材料基材的孔径大小。通过简单的加热法，即可去除多孔材料基材孔隙表面的热塑性树脂涂层。制备方法包括以下步骤：1)配制热塑性树脂的浆液；2)将所述浆液负载于多孔材料基材的孔隙表面；3)将附着有浆液的多孔材料基材干燥，即在多孔材料基材的孔隙表面增加热塑性树脂涂层。由于与其对应地多孔材料基材相比，具有热塑性树脂涂层的多孔材料的平均孔径显著减小，因此其过滤精度更高，可以满足室内空气净化质量要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔材料以及该多孔材料的制备方法，还涉及应用该多孔材料的过滤元件。
背景技术
在现有的过滤材料中，多孔薄膜材料是应用最为广泛的过滤材料之一。制备多孔薄膜材料的方法众多，例如通过以无孔金属箔或金属筛网作为载体，然后通过涂覆金属粉末干燥、轧制后进行烧结来制备多孔薄膜材料的方法中，最终多孔薄膜材料的孔径大小主要是由粉末粒度和轧制工艺决定，为了避免制备过程中材料开裂和变形等情况，所得多孔薄膜材料的孔径一般较大，一般在20μm以上，因此，过滤精度较差，难于满足室内空气净化质量要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多孔材料及其制备方法，该多孔材料的孔径较小，制备方法简单。本发明还要提供应用该多孔材料的过滤元件。
本发明所提供的第一种多孔材料包括多孔材料基材以及附着于多孔材料基材孔隙表面的热塑性树脂涂层。所述热塑性树脂能够反复受热软化、冷却硬化，且附着力强。当附着于多孔材料基材的孔隙表面时，可以有效减小多孔材料基材的孔径大小。基于热塑性树脂的反复受热软化、冷却硬化的性能，通过简单的加热法，即可去除多孔材料基材孔隙表面的热塑性树脂涂层，工艺简单快捷。
进一步，所述多孔材料基材为泡沫金属。进一步，所述泡沫金属为泡沫镍、泡沫镍合金、泡沫铜、泡沫铜合金、泡沫铝、泡沫铝合金中的任意一种。泡沫金属是一种具有超高孔隙率的三维网状材料，但是其较大的孔径限制了其应用。由于泡沫金属的孔径较大，因此在负载浆液之前，可以对泡沫金属进行预轧制，以减小浆液的使用量和热塑性树脂涂层的厚度。优选地，泡沫金属的孔径为0.01-3mm。优选地，轧制压力为50-600T(1T等于133.322Pa)。进一步，所述多孔材料基材由至少两层泡沫金属叠加轧制而成。
进一步，所述多孔材料基材由固溶体合金、面心立方结构的金属单质或体心立方结构的金属单质为基体相的金属多孔材料所构成，其与申请号为201510153116.3的中国专利申请中记载的柔性多孔金属膜的制备方法相似或采用现有的其它类似方法制成。上述多孔材料因其制备工艺的限制，其孔径一般较大，当应用于室内空气净化时，过滤精度差，难以满足室内空气净化质量要求。采用上述方法，通过在多孔材料的孔隙表面增加热塑性树脂涂层，可以有效减小多孔材料的孔径，从而提升其过滤精度。其中，所述过滤精度为待过滤物通过过滤材料时，允许通过的最大颗粒的尺寸。进一步，所述多孔材料基材的平均孔径为20-100μm，孔隙率为25-70％。经过增加热塑性树脂涂层后，所得多孔材料的孔径可以降至1-20μm。
上述多孔材料的制备方法具体包括以下步骤：1)配制热塑性树脂的浆液；2)将所述浆液负载于多孔材料基材的孔隙表面；3)干燥过程：将附着有浆液的多孔材料基材干燥，即在多孔材料基材的孔隙表面增加热塑性树脂涂层。
热塑性树脂与分散剂之间的比例以保证附着强度来确定，优选地，所述浆液按照每100mL分散剂中含有0.1-2g热塑性树脂的配比配制。配制过程中可以通过加热来促进热塑性树脂的分散。所述热塑性树脂为PE(聚乙烯)、PVB(聚乙烯醇缩丁醛)、PA(聚酰胺)、PMA(聚丙烯酸酯)中的至少一种；所述分散剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、甲苯中的至少一种。由于上述热塑性树脂不与水发生反应，因此可以对使用后的多孔材料采用水洗再生，简单快捷。上述热塑性树脂中优选使用PVB，PVB在乙醇中的分散性能好，粘结性能优异，且无毒环保，常用于食品和医疗。
所述将浆液负载于多孔材料基材的孔隙表面的方法为喷涂法和/或浸渍法。相比而言，浸渍法更有利于在多孔材料基材的所有孔隙表面负载均匀的热塑性树脂涂层。优选地，浸渍过程的浸渍时间为5-30min；所述干燥过程的干燥温度为40-80℃，干燥时间为0.5-2h。通过调节浆液的浓度以及浸渍的时间，可以改变热塑性树脂涂层的厚度，从而调节最终多孔材料的孔径大小。
进一步，上述方法还包括在负载浆液之前对所述多孔材料基材进行预轧制。通过轧制可以进一步降低多孔材料基材的孔径，减小热塑性树脂涂层的厚度及浆液的使用量。优选地，所述多孔材料基材由至少两张泡沫金属叠加轧制而成，多层泡沫金属轧制而成的基材具有更好的强度。优选地，所述轧制的压力为50-600T。
上述多孔材料的一种应用是作为过滤元件的过滤材料，该过滤元件应用于气体净化时，尤其是应用于室内空气净化时，由于与其对应地多孔材料基材相比，具有热塑性树脂涂层的多孔材料的平均孔径显著减小，因此其过滤精度更高，可以满足室内空气净化质量要求。
本发明所提供的第二种多孔材料包括多孔材料基材以及附着于多孔材料基材的孔隙表面的复合涂层，所述复合涂层包含热塑性树脂和固体颗粒。所述热塑性树脂能够反复受热软化、冷却硬化，附着力强。当附着于多孔材料的孔隙表面时，可以有效减小多孔材料基材的孔径；基于热塑性树脂的反复受热软化、冷却硬化的性能，通过简单的加热法，即可去除多孔材料孔隙表面的复合涂层，工艺简单快捷。上述第一种多孔材料中，基材表面附着的涂层为热塑性树脂涂层，如果热塑性树脂涂层的厚度过高，一来可能导致涂层脱落，二来可能会堵塞孔隙，因此最终多孔材料的孔径难以达到纳米级。作为第一种多孔材料的改进，在热塑性树脂涂层中增加固体颗粒，形成复合涂层，固体颗粒在孔隙表面堆积，显著增加了复合涂层的比表面积且形成二次孔隙，在使复合涂层不易脱落的前提下，进一步减小多孔材料基材的孔径大小和热塑性树脂的用量。进一步，所述固体颗粒为纳米颗粒，一来可以增加涂层的稳定性，二来可以增加涂层的比表面积。
进一步，所述多孔材料基材为泡沫金属。进一步，所述泡沫金属为泡沫镍、泡沫镍合金、泡沫铜、泡沫铜合金、泡沫铝、泡沫铝合金中的任意一种。泡沫金属是一种具有超高孔隙率的三维网状材料，但是其较大的孔径限制了其应用。由于泡沫金属的孔径较大，因此在负载浆液之前，可以对泡沫金属进行预轧制，以减小浆液的使用量和复合涂层的厚度。优选地，泡沫金属的孔径为0.01-3mm。优选地，轧制压力为50-600T(1T等于133.322Pa)。
进一步，所述多孔材料基材由固溶体合金、面心立方结构的金属单质或体心立方结构的金属单质为基体相的金属多孔材料所构成，其与申请号为201510153116.3的中国专利申请中记载的柔性多孔金属膜的制备方法相似或采用现有的其它类似方法制成。上述多孔材料因其制备工艺的限制，其孔径一般较大，当应用于室内空气净化时，过滤精度差，难以满足室内空气净化质量要求。采用上述方法，通过在多孔材料的孔隙表面增加复合涂层，可以有效减小多孔材料的孔径，从而提升其过滤精度。其中，所述过滤精度为待过滤物通过过滤材料时，允许通过的最大颗粒的尺寸。进一步，所述多孔材料基材的平均孔径为20-100μm，孔隙率为25-70％。经过增加复合涂层后，所得多孔材料的孔径可以降至0.05-20μm。
上述多孔材料的制备方法具体包括以下步骤：1)配制热塑性树脂和固体颗粒的浆液；2)将所述浆液负载于多孔材料基材的孔隙表面；3)干燥过程：将负载有浆液的多孔材料基材干燥，即在多孔材料基材的孔隙表面增加包含热塑性树脂与固体颗粒的复合涂层。
热塑性树脂与分散剂之间的比例可根据固体颗粒和热塑性树脂的具体成分以保证附着力强为原则来确定，若热塑性树脂含量过高，则浆液的流动性差，干燥后容易有缩孔等缺陷，若热塑性树脂的含量过低，固体颗粒之间不能有效粘接且附着力弱。优选地，所述浆液按照每100mL分散剂中含有0.1-1g热塑性树脂、0.5-5g固体颗粒的配比配制。配制过程中可以通过加热来促进热塑性树脂的分散。所述热塑性树脂为PE(聚乙烯)、PVB(聚乙烯醇缩丁醛)、PA(聚酰胺)、PMA(聚丙烯酸酯)中的至少一种；所述分散剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、甲苯中的至少一种。由于上述热塑性树脂不与水发生反应，因此可以对使用后的多孔材料采用水洗再生，简单快捷。上述热塑性树脂中优选使用PVB，PVB在乙醇中的分散性能好，粘结性能优异，且无毒环保，常用于食品和医疗。
所述固体颗粒为硅及其氧化物(如Si、SiO2)、铝及其氧化物(如Al、Al2O3、AlO2)、铜及其氧化物(如Cu、CuO)、镍及其氧化物(如Ni、NiO)、铁及其氧化物(如Fe、Fe2O3、Fe3O4)、钛及其氧化物(如Ti、TiO2)中的至少一种；这类固体颗粒的物化稳定性好，使用寿命长，当所述固体颗粒为TiO2时，可以与光催化反应相结合，起到杀菌的作用。
进一步，所述固体颗粒的平均粒径为0.01-19μm。如果固体颗粒的粒径过大，则可能导致复合涂层的附着力差，复合过滤材料易因涂层的脱落而致使其孔隙被堵塞；如果固体颗粒的粒径过小，那么以相同过滤材料本体制备相同平均孔径的复合过滤材料时，更小粒径的固体颗粒所使用的热塑性树脂更多，且孔隙率更差。
所述将浆液负载于多孔材料基材的孔隙表面的方法为喷涂法和/或浸渍法。相比而言，浸渍法更有利于在多孔材料基材的所有孔隙表面负载均匀的复合涂层。优选地，浸渍过程的浸渍时间为5-30min；所述干燥过程的干燥温度为40-80℃，干燥时间为0.5-2h。通过调节浆液的浓度以及浸渍的时间，可以改变复合涂层的厚度，从而调节最终多孔材料的孔径大小。
进一步，上述方法还包括在负载浆液之前对所述多孔材料基材进行预轧制。通过预轧制可以进一步降低多孔材料基材的孔径，减小复合涂层的厚度及浆液的使用量。进一步，所述多孔材料基材由至少两张泡沫金属叠加轧制而成，多层泡沫金属轧制而成的基材具有更好的强度。优选地，所述轧制的压力为50-600T(1T等于133.322Pa)。
上述多孔材料的一种应用是作为过滤元件的过滤材料，该过滤元件应用于气体净化，尤其是应用于室内空气净化时，由于与其对应地多孔材料基材相比，具有复合涂层的多孔材料的平均孔径显著减小，因此其过滤精度更高，可以满足室内空气净化质量要求。
具体实施方式
实施例1
多孔材料的制备方法包括以下步骤：(1)表面处理：采用Ni-Cu固溶体合金构成的多孔材料为基材，其平均孔径为20μm，用酒精清洗3次，烘干后备用。(2)配制浆液：在100ml丙酮溶液加入2gPMA，通过搅拌使PMA充分分散均匀，形成粘稠状的浆液。(3)浸渍过程:将上述多孔材料基材浸渍于PMA的丙酮溶液中，浸渍10min后取出，然后在60℃干燥1h。采用上述方法，即可在多孔材料基材的孔隙表面附着均匀的PMA涂层，所得多孔材料的平均孔径由20μm减小至5μm，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且PMA涂层未有任何脱落现象。
实施例2
多孔材料的制备方法包括以下步骤：(1)表面处理：采用Ti-Al固溶体合金构成的多孔材料为基材，其平均孔径为25μm，用酒精清洗3次，烘干后备用。(2)配制浆液：在100ml乙醇溶液加入0.5gPVB，通过搅拌使PVB充分分散均匀，形成粘稠状的浆液。(3)浸渍过程:将上述多孔材料基材浸渍于PVB的乙醇溶液中，浸渍10min后取出，然后在60℃干燥1h。采用上述方法，即可在多孔材料基材的孔隙表面附着均匀的PVB涂层，所得多孔材料的平均孔径由25μm减小至15μm，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，其过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且PVB涂层未有任何脱落现象。
实施例3
多孔材料的制备方法包括以下步骤：(1)表面处理：采用Fe-Al固溶体合金构成的多孔材料为基材，其平均孔径为30μm，用酒精清洗3次，烘干后备用。(2)配制浆液：在100ml乙醇溶液加入1gPVB，通过搅拌使PVB充分分散均匀，形成粘稠状的浆液。(3)浸渍过程:将上述多孔材料基材浸渍于PVB的乙醇溶液中，浸渍10min后取出，然后在60℃干燥1h。采用上述方法，即可在多孔材料基材的孔隙表面附着均匀的PVB涂层，所得多孔材料的平均孔径由30μm减小至10μm，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，其过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且PVB涂层未有任何脱落现象。
实施例4
多孔材料的制备方法包括以下步骤：(1)表面处理：采用Fe-Al固溶体合金构成的多孔材料为基材，其平均孔径为30μm，用酒精清洗3次，烘干后备用。(2)配制浆液：在100ml乙醇溶液加入0.25gPA、0.5gTiO2固体颗粒，通过搅拌使PA和TiO2固体颗粒充分分散均匀，形成粘稠状的浆液。其中，TiO2固体颗粒的平均粒径为3μm。(3)浸渍过程:将上述多孔材料基材浸渍于上述浆液中，浸渍10min后取出，然后在60℃干燥1h。采用上述方法，即可在多孔材料基材的孔隙表面附着均匀的PA-TiO2复合涂层，所得多孔材料的平均孔径由30μm减小至5μm，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，其过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且PA-TiO2复合涂层未有任何脱落现象。
实施例5
多孔材料的制备方法包括以下步骤：(1)表面处理：采用Ti-Al固溶体合金构成的多孔材料为基材，其平均孔径为25μm，用酒精清洗3次，烘干后备用。(2)配制浆液：在100ml乙醇溶液加入0.25gPVB、5gTiO2固体颗粒，通过搅拌使PVB和TiO2固体颗粒充分分散均匀，形成粘稠状的浆液，其中，TiO2固体颗粒的平均粒径为5μm。(3)浸渍过程:将上述多孔材料基材浸渍于所述浆液中，浸渍10min后取出，然后在60℃干燥1h。采用上述方法，即可在多孔材料基材的孔隙表面附着均匀的PVB-TiO2复合涂层，所得多孔材料的平均孔径由25μm减小至1.5μm，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，其过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且PVB-TiO2复合涂层未有任何脱落现象。
实施例6
多孔材料的制备方法包括以下步骤：(1)表面处理：采用Ni-Cu固溶体合金构成的多孔材料为基材，其平均孔径为20μm，用酒精清洗3次，烘干后备用。(2)配制浆液：在100ml乙醇溶液加入0.25gPVB、3gAl2O3固体颗粒，通过搅拌使PVB和Al2O3固体颗粒充分分散均匀，形成粘稠状的浆液，其中，Al2O3固体颗粒的平均粒径为0.5μm。(3)浸渍过程:将上述多孔材料基材浸渍于所述浆液中，浸渍10min后取出，然后在60℃干燥1h。采用上述方法，即可在多孔材料基材的孔隙表面附着均匀的PVB-Al2O3复合涂层，所得多孔材料的平均孔径由20μm减小至0.2μm，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，其过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85以上，且PVB-Al2O3复合涂层未有任何脱落现象。
实施例7
多孔材料的制备方法包括以下步骤：(1)表面处理：采用两层泡沫镍为基材，其平均孔径为0.5mm，用酒精清洗3次，烘干后备用。(2)轧制过程：将两层泡沫镍叠加后在300T的压力下轧制2min。(3)配制浆液：在100ml乙醇溶液加入0.25gPVB、5gNi粉，通过搅拌使PVB和镍粉充分分散均匀，形成粘稠状的浆液，其中，Ni粉的平均粒径为5μm。(4)浸渍过程:将上述轧制后镍泡沫基材浸渍于所述浆液中，浸渍5min后取出，然后在60℃干燥1h。采用上述方法，即可在泡沫镍基材的孔隙表面附着均匀的PVB-Ni复合涂层，所得多孔材料的平均孔径由25μm减小至10μm，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，其过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且PVB-Ni复合涂层未有任何脱落现象。
Claims (10)
1.一种多孔材料，包括多孔材料基材，其特征在于：在多孔材料基材的孔隙表面附着有热塑性树脂涂层。
2.如权利要求1所述的多孔材料，其特征在于：所述多孔材料基材为泡沫金属。
3.如权利要求2所述的多孔材料，其特征在于：所述泡沫金属为泡沫镍、泡沫镍合金、泡沫铜、泡沫铜合金、泡沫铝、泡沫铝合金中的任意一种。
4.如权利要求1所述的多孔材料，其特征在于：所述多孔材料基材由固溶体合金、面心立方结构的金属单质或体心立方结构的金属单质为基体相的金属多孔材料所构成。
5.多孔材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)配制热塑性树脂的浆液；2)将所述浆液负载于多孔材料基材的孔隙表面；3)干燥过程：将负载有浆液的多孔材料基材干燥，即在多孔材料基材的孔隙表面附着热塑性树脂涂层。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述浆液按照每100mL分散剂中含有0.1-2g热塑性树脂的配比配制；所述热塑性树脂为PE、PVB、PA、PMA中的至少一种；所述分散剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丙酮、甲苯中的至少一种。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述将浆液负载于多孔材料基材的孔隙表面的方法为浸渍法和/或喷涂法。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括在负载浆液之前对所述多孔材料基材进行预轧制。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述多孔材料基材由至少两层泡沫金属叠加轧制而成。
10.应用权利要求1-4任一项所述的多孔材料为过滤材料的过滤元件。
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