CN105920921B - 一种多层复合过滤材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层复合过滤材料及其制备方法，多层复合过滤材料依次由基层、离子交换膜层、复合改性层、吸附层、碳纤维层组成；制备方法为：将基层使用超声波装置清洗，然后经过真空干燥，得到清洁基层；在清洁基层上以沉淀法制成离子交换膜层，凝固固化24h～36h，得到一次滤材；在一次滤材含有离子交换膜层的一侧以熔喷纺丝的方法制成复合改性层，得到二次滤材；在二次滤材含有复合改性过滤层的一侧使用粘合剂粘接吸附层，得到三次滤材；在三次滤材含有吸附层的一侧使用溅射镀膜的方法制备碳纤维层，即制。本发明制备得到的多层复合过滤材料实现了对宽分布的污染物进行有效过滤的目标，同时兼具低阻力、长寿命、高强度的特点。

Description

一种多层复合过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及用于液体或气体流体的过滤材料领域，具体涉及一种多层复合过滤材料及其制备方法。
背景技术
由于空气污染和水域污染等环境问题越来越突出，采用过滤的方法实现物质净化分离的越来越受到重视，对于过滤器材的要求越来越高，过滤材料作为过滤器材的关键部件，其开发与应用越来越受到重视。各种过滤材料在实际使用过程中都存在一些问题：例如玻璃纤维在200℃～260℃的温度条件下使用寿命短，滤布在短时间内会出现破洞现象；聚四氟乙烯纤维价格昂贵成本高，一般企业难以接受；陶瓷纤维自身较脆，耐折性差，纤维易断；玄武岩纤维的各种性能差颇大；因此需要性能更加良好的过滤材料。
可以通过将过滤材料按过滤效率梯度复合以制备高效过滤器，对各种粒径分布污染物颗粒达到有效过滤的目标，满足过滤材料低阻、高效、长寿命的未来发展的需要。
中国专利CN201010200619.9公开了一种针水刺非织造布多层复合过滤材料，所述的过滤材料由五层纤维层针刺复合、浸胶而成，从空气进入的方向由外至内分别为A、B、C、D、E层；A层为两种粗旦涤纶纤维针刺加工得到的针刺层；B层为涤纶纤维水刺层；C层为天然棉纤维层；D、E两层为涤纶纤维水刺层。但是该专利采用针刺法制备复合过滤材料，生产成本高，并且制得的过滤材料由于材质本身的性质，耐高温性能差，不能应用于高温气体流体的过滤器材料。
中国专利CN201520531707.5公开了一种多层复合的空气过滤材料，包括容尘层、第二层无纺布、玻璃纤维层、除臭层、第一层无纺布、胶粘剂层和保护层，所述保护层位于空气过滤材料的最上层，所述胶粘剂层设置在保护层的下侧，所述除臭层位于胶粘剂层的下方，且与胶粘剂层固定连接，所述第一层无纺布位于除臭层的下方，所述玻璃纤维层位于第一层无纺布和第二层无纺布之间，所述容尘层位于第二层无纺布的下方。但是该专利制得的过滤材料各层材料的成分不明，过滤性能不能保证，并且对于小颗粒污染物的过滤效果差。
因此，需要发明一种多层滤材复合而成的改性过滤材料，从而实现对宽分布的污染物进行有效过滤的目标，同时兼具低阻力、长寿命、高强度的特点。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种多层复合过滤材料及其制备方法，实现了对宽分布的污染物进行有效过滤的目标，同时兼具低阻力、长寿命、高强度的特点。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种多层复合过滤材料，多层复合过滤材料依次由基层、离子交换膜层、复合改性层、吸附层、碳纤维层组成；
其中基层由聚氯乙烯纤维、聚氧乙烯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚全氟丙烯纤维中的任一种制成，定量为90g/m2～110g/m2，过滤精度为0.5μm～3μm，透气度为50L/m2/S～100L/m2/S；
其中离子交换膜层由直径为30nm～100nm的双酚A型聚碳酸酯纤维、聚苯乙烯纤维、聚丙烯酸酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯基吡咯烷酮纤维、聚乙烯吡啶纤维中的任一种制成，定量为60g/m2～90g/m2，过滤精度为3μm～8μm，透气度为80L/m2/S～200L/m2/S；
其中复合改性层由质量百分数为60％～75％的无规聚丙烯纤维、15％～35％的高密度聚乙烯纤维、5％～10％的聚乙烯醇纤维、1％～5％的助剂制成，定量为40g/m2～60g/m2，过滤精度为8μm～15μm，透气度为300L/m2/S～1000L/m2/S；
其中吸附层由聚硅氧醚纤维、聚硅氧烷酮纤维、聚氯硅氧烷纤维、聚甲基硅烷纤维中任意一种或多种制成，定量20g/m2～40g/m2，过滤精度为15μm～35μm，透气度为2000L/m2/S～6000L/m2/S；
其中碳纤维层的定量为15g/m2～20g/m2，过滤精度为35μm～65μm，透气度为6000L/m2/S～9000L/m2/S，比表面积为1200m2/g～2000m2/g。
进一步地，助剂由质量百分数为40％～60％的表面活性剂、10％～20％的邻苯二甲酸二辛酯、5％～15％的氢氧化铝、5％～15％的氧化锌、5％～15％的聚四氟乙烯组成。
其中邻苯二甲酸二辛酯作为增塑剂，还可以采用邻苯二甲酸二丁酯、己二酸二辛酯、双季戊四醇酯中的任一种或多种。
其中氢氧化铝作为稳定剂，还可以采用滑石粉、石灰石、石英粉中的任一种或多种。
其中氧化锌作为抗老化剂，还可以采用炭黑、云母粉、氧化镁中的任一种或多种。
其中聚四氟乙烯作为润滑剂，为石墨、二硫化钼、硅油中的任一种或多种
更进一步地，表面活性剂为卵磷脂、失水山梨醇酯、脂肪族季铵盐、脂肪族磺酸盐、脂肪族磷酸盐中的任一种或多种。
进一步地，复合改性层的制备方法，包括以下步骤：
步骤a，将所述质量百分数的无规聚丙烯纤维、高密度聚乙烯纤维和聚乙烯醇纤维投入到有机溶剂中，使用磁力搅拌装置以30r/min～50r/min的速度搅拌30min～60min，使原料充分溶解溶胀，加入所述质量百分数的助剂，将转速增大到80r/min～120r/min，继续搅拌20min～40min，至混合均匀，得到物料A，备用；
步骤b，向步骤a中制得的物料A中加入质量百分数为0.1％～0.5％的二月桂酸二丁基锡，以60r/min～100r/min的转速搅拌15min～30min，使用微波加热装置升温至60℃～80℃，恒温反应4h～8h，得到复合改性纤维，备用；
步骤c，将步骤b制得的复合改性纤维加热升温至180℃～220℃，使其完全熔化，在压力为0.3MPa～1.2MPa的条件下进行真空熔喷纺丝，制得复合改性层。
更进一步地，步骤a中，有机溶剂为无水乙醇、乙酸乙酯、苯、四氯化碳、乙醚、环己酮中的任一种或多种混合物。
本发明的另一发明目的，在于提供一种上述多层复合过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤I，将所述基层使用超声波装置清洗60min～120min，于60℃～70℃电加热烘箱中真空干燥4h～6h，使水分完全挥发干燥，得到清洁基层，备用；
步骤II，在步骤I得到的清洁基层上以沉淀法制成离子交换膜层，凝固固化24h～36h，得到一次滤材，备用；
步骤III，在步骤II制得的一次滤材含有离子交换膜层的一侧以熔喷纺丝的方法制成复合改性层，得到二次滤材，备用；
步骤IV，在步骤III制得的二次滤材含有复合改性过滤层的一侧使用粘合剂粘接吸附层，得到三次滤材，备用；
步骤V，在步骤IV制得的三次滤材含有吸附层的一侧使用溅射镀膜的方法制备碳纤维层，即制得多层复合过滤材料。
进一步地，步骤II中，离子交换膜层的厚度为20μm～40μm。
进一步地，步骤III中，复合改性层的厚度为0.2mm～0.3mm。
进一步地，步骤IV中，粘合剂为聚乙烯醇、改性硅烷、环氧树脂、虫胶、硅胶中的任一种或多种。
进一步地，步骤V中，碳纤维层的厚度为2mm～5mm。
本发明的优点是：
1.本发明制备的多层复合过滤材料由多层过滤材料组成，实现多级梯度式过滤，目标物过滤尺寸适用范围宽，过滤效果好，残留少；
2.本发明制备的多层复合过滤材料使用寿命长，结构强度高，能够在严重污染环境中长期保持有效过滤水平；
3.本发明通过对过滤材料进行复合改性，提高了过滤材料使用效率。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种多层复合过滤材料，依次由基层、离子交换膜层、复合改性层、吸附层、碳纤维层组成；
其中基层由聚氯乙烯纤维制成，定量为90g/m2，过滤精度为3μm，透气度为100L/m2/S；
其中离子交换膜层由直径为30nm的聚苯乙烯纤维和聚丙烯酸酯纤维制成，定量为60g/m2，过滤精度为8μm，透气度为200L/m2/S；其中聚苯乙烯纤维和聚丙烯酸酯纤维的质量比为1：1；
其中复合改性层由60％的无规聚丙烯纤维、25％的高密度聚乙烯纤维、10％的聚乙烯醇纤维、5％的助剂制成，定量为40g/m2，过滤精度为15μm，透气度为1000L/m2/S；助剂由质量百分数为40％的脂肪族季铵盐、20％的邻苯二甲酸二辛酯、15％的氢氧化铝、10％的氧化锌、15％的聚四氟乙烯组成；
其中吸附层由聚硅氧醚纤维，定量20g/m2，过滤精度为35μm，透气度为6000L/m2/S；
其中碳纤维层的定量为15g/m2，过滤精度为65μm，透气度为9000L/m2/S，比表面积为1200m2/g。
实施例2
一种多层复合过滤材料，依次由基层、离子交换膜层、复合改性层、吸附层、碳纤维层组成；
其中基层由聚四氟乙烯纤维制成，定量为110g/m2，过滤精度为0.5μm，透气度为50L/m2/S；
其中离子交换膜层由直径为100nm的聚乙烯基吡咯烷酮纤维制成，定量为90g/m2，过滤精度为3μm，透气度为80L/m2/S；
其中复合改性层由质量百分数为75％的无规聚丙烯纤维、19％的高密度聚乙烯纤维、5％的聚乙烯醇纤维、1％的助剂制成，定量为60g/m2，过滤精度为8μm，透气度为300L/m2/S；助剂由质量百分数为30％的卵磷脂、30％的失水山梨醇酯、10％的邻苯二甲酸二辛酯、10％的氢氧化铝、15％的氧化锌、5％的聚四氟乙烯组成；
其中吸附层由聚硅氧烷酮纤维制成，定量40g/m2，过滤精度为15μm，透气度为2000L/m2/S；
其中碳纤维层的定量为20g/m2，过滤精度为35μm，透气度为6000L/m2/S，比表面积为2000m2/g。
实施例3
一种多层复合过滤材料，依次由基层、离子交换膜层、复合改性层、吸附层、碳纤维层组成；
其中基层由聚氧乙烯纤维和聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维制成，定量为100g/m2，过滤精度为1.7μm，透气度为75L/m2/S；其中聚氧乙烯纤维和聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维的质量比为1：1；
其中离子交换膜层由直径为65nm的双酚A型聚碳酸酯纤维制成，定量为75g/m2，过滤精度为5.5μm，透气度为140L/m2/S；
其中复合改性层由质量百分数为67％的无规聚丙烯纤维、23％的高密度聚乙烯纤维、7％的聚乙烯醇纤维、3％的助剂制成，定量为50g/m2，过滤精度为12μm，透气度为700L/m2/S；助剂由质量百分数为50％的脂肪族磷酸盐、15％的邻苯二甲酸二辛酯、12％的氢氧化铝、13％的氧化锌、10％的聚四氟乙烯组成；
其中吸附层由聚氯硅氧烷纤维和聚甲基硅烷纤维制成，定量30g/m2，过滤精度为25μm，透气度为4000L/m2/S；其中聚氯硅氧烷纤维和聚甲基硅烷纤维的质量比为1：1；
其中碳纤维层的定量为17g/m2，过滤精度为50μm，透气度为7500L/m2/S，比表面积为1600m2/g。
实施例4
一种多层复合过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤I，将所述基层使用超声波装置清洗60min，于60℃电加热烘箱中真空干燥4h，使水分完全挥发干燥，得到清洁基层，备用；
步骤II，在步骤I得到的清洁基层上以沉淀法制成厚度为20μm的离子交换膜层，凝固固化24h，得到一次滤材，备用；
步骤III，在步骤II制得的一次滤材含有离子交换膜层的一侧以熔喷纺丝的方法制成厚度为0.2mm的复合改性层，得到二次滤材，备用；
步骤IV，在步骤III制得的二次滤材含有复合改性过滤层的一侧使用粘合剂粘接吸附层，得到三次滤材，备用；其中粘合剂为聚乙烯醇和硅胶的混合物，聚乙烯醇和硅胶的质量比为1：1；
步骤V，在步骤IV制得的三次滤材含有吸附层的一侧使用溅射镀膜的方法制备厚度为2mm的碳纤维层，即制得多层复合过滤材料。
实施例5
一种多层复合过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤I，将所述基层使用超声波装置清洗120min，于70℃电加热烘箱中真空干燥6h，使水分完全挥发干燥，得到清洁基层，备用；
步骤II，在步骤I得到的清洁基层上以沉淀法制成厚度为40μm的离子交换膜层，凝固固化36h，得到一次滤材，备用；
步骤III，在步骤II制得的一次滤材含有离子交换膜层的一侧以熔喷纺丝的方法制成厚度为0.3mm的复合改性层，得到二次滤材，备用；
步骤IV，在步骤III制得的二次滤材含有复合改性过滤层的一侧使用粘合剂粘接吸附层，得到三次滤材，备用；其中粘合剂为改性硅烷；
步骤V，在步骤IV制得的三次滤材含有吸附层的一侧使用溅射镀膜的方法制备厚度为5mm的碳纤维层，即制得多层复合过滤材料。
实施例6
一种多层复合过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤I，将所述基层使用超声波装置清洗90min，于65℃电加热烘箱中真空干燥5h，使水分完全挥发干燥，得到清洁基层，备用；
步骤II，在步骤I得到的清洁基层上以沉淀法制成厚度为30μm的离子交换膜层，凝固固化30h，得到一次滤材，备用；
步骤III，在步骤II制得的一次滤材含有离子交换膜层的一侧以熔喷纺丝的方法制成厚度为0.25mm的复合改性层，得到二次滤材，备用；
步骤IV，在步骤III制得的二次滤材含有复合改性过滤层的一侧使用粘合剂粘接吸附层，得到三次滤材，备用；其中粘合剂为环氧树脂和虫胶的混合物，环氧树脂和虫胶的质量比为3：1；
步骤V，在步骤IV制得的三次滤材含有吸附层的一侧使用溅射镀膜的方法制备厚度为3.5mm的碳纤维层，即制得多层复合过滤材料。
实验例1
对实施例1～6制备得到的多层复合过滤材料的性能进行测试，测试结果如表1所示。
其中过滤效率根据GB 2626-2006标准测试，测试颗粒0.3μm，风速为5.33cm/s。
其中压力损失根据GB 2626-2006标准测试，风速为5.33cm/s。
其中透气量根据GB/T 5453-199标准测试，测试气流压力为200Pa。
其中挺度根据GB/T 2679-1996标准，采用静态弯曲法进行测试。
表1过滤材料性能测试结果
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层复合过滤材料，其特征在于，所述多层复合过滤材料依次由基层、离子交换膜层、复合改性层、吸附层、碳纤维层组成；
其中所述基层由聚氯乙烯纤维、聚氧乙烯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚全氟丙烯纤维中的任一种制成，定量为90g/m2～110g/m2，过滤精度为0.5μm～3μm，透气度为50L/m2/S～100L/m2/S；
其中所述离子交换膜层由直径为30nm～100nm的双酚A型聚碳酸酯纤维、聚苯乙烯纤维、聚丙烯酸酯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯基吡咯烷酮纤维、聚乙烯吡啶纤维中的任一种制成，定量为60g/m2～90g/m2，过滤精度为3μm～8μm，透气度为80L/m2/S～200L/m2/S；
其中所述复合改性层由质量百分数为60％～75％的无规聚丙烯纤维、15％～35％的高密度聚乙烯纤维、5％～10％的聚乙烯醇纤维、1％～5％的助剂制成，定量为40g/m2～60g/m2，过滤精度为8μm～15μm，透气度为300L/m2/S～1000L/m2/S；
其中所述吸附层由聚硅氧醚纤维、聚硅氧烷酮纤维、聚氯硅氧烷纤维、聚甲基硅烷纤维中任意一种或多种制成，定量20g/m2～40g/m2，过滤精度为15μm～35μm，透气度为2000L/m2/S～6000L/m2/S；
其中所述碳纤维层的定量为15g/m2～20g/m2，过滤精度为35μm～65μm，透气度为6000L/m2/S～9000L/m2/S，比表面积为1200m2/g～2000m2/g。
2.根据权利要求1所述的多层复合过滤材料，其特征在于，所述助剂由质量百分数为40％～60％的表面活性剂、10％～20％的邻苯二甲酸二辛酯、5％～15％的氢氧化铝、5％～15％的氧化锌、5％～15％的聚四氟乙烯组成。
3.根据权利要求2所述的多层复合过滤材料，其特征在于，所述表面活性剂为卵磷脂、失水山梨醇酯、脂肪族季铵盐、脂肪族磺酸盐、脂肪族磷酸盐中的任一种或多种。
4.根据权利要求1所述的多层复合过滤材料，其特征在于，所述复合改性层的制备方法，包括以下步骤：
步骤a，将所述质量百分数的无规聚丙烯纤维、高密度聚乙烯纤维和聚乙烯醇纤维投入到有机溶剂中，使用磁力搅拌装置以30r/min～50r/min的速度搅拌30min～60min，使原料充分溶解溶胀，加入所述质量百分数的助剂，将转速增大到80r/min～120r/min，继续搅拌20min～40min，至混合均匀，得到物料A，备用；
步骤b，向步骤a中制得的物料A中加入质量百分数为0.1％～0.5％的二月桂酸二丁基锡，以60r/min～100r/min的转速搅拌15min～30min，使用微波加热装置升温至60℃～80℃，恒温反应4h～8h，得到复合改性纤维，备用；
步骤c，将步骤b制得的复合改性纤维加热升温至180℃～220℃，使其完全熔化，在压力为0.3MPa～1.2MPa的条件下进行真空熔喷纺丝，制得复合改性层。
5.根据权利要求4所述的多层复合过滤材料，其特征在于，步骤a中，所述有机溶剂为无水乙醇、乙酸乙酯、苯、四氯化碳、乙醚、环己酮中的任一种或多种混合物。
6.一种根据权利要求1～5中任一项所述的多层复合过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤I，将所述基层使用超声波装置清洗60min～120min，于60℃～70℃电加热烘箱中真空干燥4h～6h，使水分完全挥发干燥，得到清洁基层，备用；
步骤II，在步骤I得到的清洁基层上以沉淀法制成离子交换膜层，凝固固化24h～36h，得到一次滤材，备用；
步骤III，在步骤II制得的一次滤材含有离子交换膜层的一侧以熔喷纺丝的方法制成复合改性层，得到二次滤材，备用；
步骤IV，在步骤III制得的二次滤材含有复合改性过滤层的一侧使用粘合剂粘接吸附层，得到三次滤材，备用；
步骤V，在步骤IV制得的三次滤材含有吸附层的一侧使用溅射镀膜的方法制备碳纤维层，即制得多层复合过滤材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤II中，所述离子交换膜层的厚度为20μm～40μm。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤III中，所述复合改性层的厚度为0.2mm～0.3mm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤IV中，所述粘合剂为聚乙烯醇、改性硅烷、环氧树脂、虫胶、硅胶中的任一种或多种。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤V中，所述碳纤维层的厚度为2mm～5mm。
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