CN105999852A - 一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料及其制备方法，所述制备方法为：在纳米纤维层中引入微珠，通过调节纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比，控制微珠的含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增，得到具有梯度结构的微珠/纳米纤维层，将非织造布基材、微珠/纳米纤维层和非织造布覆盖层采用热轧工艺复合，得到三明治结构复合空气过滤材料。本发明制备工艺简单，无需对静电纺丝机进行改装，适用范围广泛，制备的复合过滤材料过滤效率高，阻力压降小，容尘量大，使用寿命长。

Description

一种具有梯度结构的微珠 / 纳米纤维复合空气过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料及其制备方法，属于静电纺纳米纤维空气过滤材料制备技术领域。
背景技术
随着我国工业化的高速发展和汽车保有量的急剧增加，空气污染问题日益严峻，尤其是近年来我国大部分地区频繁出现的雾霾、沙尘暴等恶劣天气，对人们的身体健康和生活质量造成了严重影响，因此，空气过滤材料的需求量越来越大，对其过滤性能的要求也越来越高。静电纺纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大、孔径小、孔隙率高等特点，很适用于生产高性能空气过滤材料，在个体防护、汽车发动机过滤和空气净化装置等领域具有广阔的应用前景。目前，静电纺纳米纤维空气过滤材料的制备技术大多都是将单一直径的纳米纤维直接沉积在传统过滤介质基材上，形成纳米纤维复合过滤材料，并通过控制工艺条件减小纳米纤维直径和增加纳米纤维膜厚度来提高其过滤效率，然而此种方式会导致过滤材料的阻力压降增大，净空气产出率降低，增加了过滤能耗和成本。
降低静电纺纳米纤维空气过滤材料阻力压降的方法主要是在纳米纤维膜中引入纳米颗粒，从而改变纳米纤维的结合形式。现有文献中涉及到的加入颗粒的不同方式有（1）在纺丝液中加入纳米颗粒，得到复合纺丝液后再进行静电纺丝，如一种球线组合型复合纤维空气过滤材料及其制备方法（CN103706182A），上述方案的不足之处在于纺丝液中的颗粒易产生团聚现象，影响纺丝过程的顺利进行和纳米纤维的均匀性，进而影响纳米纤维膜的实际过滤性能；（2）制备纳米纤维和颗粒的混合悬浮液再将其涂覆在基材上，如一种高吸附纳米纤维复合过滤材料及其制备方法（CN104014196A）、一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料及其制备方法（CN104689724A），上述方案的不足之处在于纤维堆积密度和孔结构难以有效控制，从而难以显著降低材料的阻力压降，且工艺流程较为复杂；（3）纳米纤维层与串珠纤维层交替纺制，如一种口罩用高效低阻纳米纤维空气过滤材料及其制备方法（CN104645715A），上述方案的不足之处在于没有对纳米纤维层与串珠纤维层的排布结构进行优化设计，仅仅是两层之间的重复堆砌，纳米纤维层与串珠纤维层需依次分别纺制，耗用时间长，生产效率降低，且该方法需对常规静电纺丝机进行改装，适用范围有限。
发明内容
本发明的目的是针对现有空气过滤材料制备技术的不足，提供一种可提高过滤效率和容尘量，降低过滤阻力，延长使用寿命的具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料，其包括从下而上设置的非织造布基材、具有梯度结构的多层微珠/纳米纤维层和非织造布覆盖层；
所述微珠/纳米纤维层由静电纺聚酰胺6微珠和光滑连续的聚酰胺6纳米纤维混合形成，所述微珠/纳米纤维层具有三维立体互通孔隙结构，所述微珠在纳米纤维中的含量沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递增。
所述复合空气过滤材料结构为非织造布基材、微珠/纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层形成的三明治复合结构。
所述的非织造布基材和非织造布覆盖层均选自聚丙烯纤维、聚酯纤维的熔喷和纺粘非织造布中的一种。
所述复合过滤材料的核心过滤部分为微珠/纳米纤维层，所述复合过滤材料对1μm以下颗粒物的过滤效率达到99%以上，阻力压降小于120Pa。
本发明提供的一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料的制备方法，其关键技术在于：所述制备方法按以下步骤进行：
第一步，纺制微珠及纳米纤维的两种纺丝液的配置：将一定量的聚酰胺6加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为6-10%的均匀、稳定的纺丝液，作为聚酰胺6微珠的纺丝溶液；同时将一定量的聚酰胺6加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为18-28%的均匀、稳定的纺丝液，作为聚酰胺6纳米纤维的纺丝溶液；
第二步，单层微珠/纳米纤维层的制备：将纺制聚酰胺6微珠的纺丝液和纺制聚酰胺6纳米纤维的纺丝液分别注入两个注射器中，将两个注射器固定在双针道静电纺丝机内，用两个鳄鱼夹分别与两个注射器的针头相连，再将高压直流电源的正极与鳄鱼夹相连，高压直流电源的负极与金属接收滚筒连接并接地，接收滚筒上包覆有非织造布基材，启动该双针道静电纺丝机，在接收滚筒的非织造布基材表面同时沉积聚酰胺6微珠和聚酰胺6纳米纤维，得到混合均匀的微珠/纳米纤维层；
第三步，具有梯度结构的多层微珠/纳米纤维层的制备：制备沉积在非织造布基材上的第一层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中注入一定量的纺制纳米纤维的纺丝液，在另一个注射器中注入较少的纺制微珠的纺丝液，即控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比例较低，然后在第二步所述的双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到第一层微珠/纳米纤维层，第一层微珠/纳米纤维层中的微珠含量较少，过滤效率较高，阻力压降较大；制备沉积在非织造布基材上的第二层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中注入相同质量的纺制纳米纤维的纺丝液，在另一个注射器中注入比第一次多的纺制微球的纺丝液，即控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比例比第一次的质量比例大，然后在第二步所述的双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到第二层微珠/纳米纤维层，第二层微珠/纳米纤维层中的微珠含量比第一层多，过滤效率比第一层低，阻力压降比第一层小；以此类推，制备沉积在非织造布基材上的第n层微珠/纳米纤维层时，控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比例比第n-1次的质量比例大，得到的第n层微珠/纳米纤维层中的微珠含量比第n-1层多，第n层微珠/纳米纤维层的过滤效率比第n-1层低，阻力压降比第n-1层小，n为大于等于3的整数；通过调节纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比，控制微珠的含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增，各个微珠/纳米纤维层的过滤效率沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递减，阻力压降沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递减，从而得到具有梯度结构的多层微珠/纳米纤维过滤层；
第四步，过滤材料的复合：在最后一层微珠/纳米纤维层的表面覆盖一层非织造布过滤材料，采用点状热轧技术将非织造布基材、具有梯度结构的微珠/纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层复合在一起，点状复合热轧温度为160-200℃，得到三明治结构复合过滤材料。
作为本发明的优选技术方案：
如上所述的一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料的制备方法，所述两个注射器在双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到混合均匀的微珠/纳米纤维层时，纺丝参数为：纺丝电压15-30kV，接收距离15-25cm，纺丝速度0.1-1mL/h，温度20-30℃，相对湿度40-60%。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
（1）本发明在均匀纳米纤维中引入适量微珠，一步成型获得具有三维立体互通孔隙结构的复合空气过滤材料，控制微珠/纳米纤维层中微珠的含量沿过滤材料的厚度方向呈梯度分布，能够提高过滤材料的过滤效率和容尘量，降低过滤阻力，延长使用寿命。
本发明控制微珠/纳米纤维层中微珠的含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增，进行空气过滤时，过滤材料的过滤效率沿厚度方向由上至下逐渐提高，能够实现对空气的梯度过滤，也避免了由于颗粒堵塞导致的阻力快速增加，制得的复合空气过滤材料具有较高的过滤效率和较低的阻力压降；
（2）本发明制备的过滤材料沿厚度方向具有梯度结构，这样的设计可以显著增大过滤材料的容尘量，延长了过滤材料的使用寿命；
（3）本发明提供的制备方法可以在常规静电纺丝机上同时制备纳米纤维和微珠，实现了纳米纤维和微珠的实时、均匀混合，工艺简单，生产效率较高，无需对静电纺丝机进行改装，适用范围广泛。
附图说明
附图1为具有梯度结构的微珠/纳米纤维层复合空气过滤材料的剖面示意图；
图中，1为非织造布基材，2为具有梯度结构的微珠/纳米纤维层，3为非织造布覆盖层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
参见附图1，本发明包括从下而上设置的非织造布基材1、微珠含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增的具有梯度结构的多层微珠/纳米纤维层2和非织造布覆盖层3；所述微珠/纳米纤维层由静电纺聚酰胺6微珠和光滑连续的聚酰胺6纳米纤维混合形成，所述微珠/纳米纤维层具有三维立体互通孔隙结构，所述微珠在纳米纤维中的含量沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递增。微珠/纳米纤维层的层数可以根据需要选择，这和每一层的溶液注射量有关，层数根本上是根据对最终过滤材料过滤性能的要求而控制的，一般为3-15层。
所述复合空气过滤材料结构为非织造布基材、微珠/纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层形成的三明治复合结构。所述的非织造布基材和非织造布覆盖层均选自聚丙烯纤维、聚酯纤维的熔喷和纺粘非织造布中的一种。
实施例1
一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料的制备方法，具体步骤为：
用电子天平称取一定量的干燥聚酰胺6颗粒溶于甲酸中，并用磁力搅拌器连续搅拌10小时，得到质量分数为22%的聚酰胺6均相溶液，作为纺制聚酰胺6纳米纤维的纺丝液；同时，将适量的干燥聚酰胺6颗粒溶于甲酸中，并将其置于磁力搅拌器上搅拌10小时，得到质量分数为10%的聚酰胺6均相溶液，作为纺制聚酰胺6微珠的纺丝液；制备第一层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中注入2g质量分数为22%的聚酰胺6溶液，在另一个注射器中注入0.2g质量分数为10%的聚酰胺6溶液，即控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比为1:10，纺丝工艺参数为：纺丝电压20kV，接收距离18cm，纺丝速度0.2mL/h，纺丝的环境温度为25℃，相对湿度为40%，将两个注射器置于双针道静电纺丝机内，打开高压电源，聚酰胺6微珠和聚酰胺6纳米纤维同时沉积在接收滚筒的非织造布基材上，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，得到混合均匀的第一层微珠/纳米纤维层；制备第二层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中仍然注入2g质量分数为22%的聚酰胺6溶液，而在另一个注射器中注入0.4g质量分数为10%的聚酰胺6溶液，即控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比为2:10，采取同样的纺丝参数进行静电纺，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，得到混合均匀的第二层微珠/纳米纤维层；类似地，制备第三层至第六层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中均注入2g质量分数为22%的聚酰胺6溶液，而在另一个注射器中分别注入0.6g、0.8g、1g、1.2g质量分数为10%的聚酰胺6溶液，即分别控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比为3:10、4:10、5:10、6:10，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，依次得到混合均匀的第三层至第六层微珠/纳米纤维层，从第一层至第六层微珠/纳米纤维层，其中的微珠含量依次递增，其过滤效率和阻力压降依次递减，从而形成具有梯度结构的微珠/纳米纤维过滤层；最后，采用点状热轧技术将非织造布基材、微珠/纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层进行复合，得到具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料。经过过滤性能测试证明，该过滤材料对1μm以下颗粒物的过滤效率达到99%以上，阻力压降小于115Pa。
实施例2
一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料的制备方法，具体步骤为：
用电子天平称取一定量的干燥聚酰胺6颗粒溶于甲酸中，并用磁力搅拌器连续搅拌8小时，得到质量分数为20%的聚酰胺6均相溶液，作为纺制聚酰胺6纳米纤维的纺丝液；同时，将适量的干燥聚酰胺6颗粒溶于甲酸中，并将其置于磁力搅拌器上搅拌8小时，得到质量分数为8%的聚酰胺6均相溶液，作为纺制聚酰胺6微珠的纺丝液；制备第一层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中注入1g质量分数为20%的聚酰胺6溶液，在另一个注射器中注入0.1g质量分数为8%的聚酰胺6溶液，即控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比为1:10，纺丝工艺参数为：纺丝电压15kV，接收距离15cm，纺丝速度0.5mL/h，纺丝的环境温度为25℃，相对湿度为40%，将两个注射器置于双针道静电纺丝机内，打开高压电源，聚酰胺6微珠和聚酰胺6纳米纤维同时沉积在接收滚筒的非织造布基材上，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，得到混合均匀的第一层微珠/纳米纤维层；制备第二层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中仍然注入1g质量分数为18%的聚酰胺6溶液，而在另一个注射器中注入0.2g质量分数为8%的聚酰胺6溶液，即控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比为2:10，采取同样的纺丝参数进行静电纺，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，得到混合均匀的第二层微珠/纳米纤维层；类似地，制备第三层至第八层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中均注入1g质量分数为18%的聚酰胺6溶液，而在另一个注射器中分别注入0.3g、0.4g、0.5g、0.6g、0.7g、0.8g质量分数为8%的聚酰胺6溶液，即分别控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比为3:10、4:10、5:10、6:10、7:10、8:10，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，依次得到混合均匀的第三层至第八层微珠/纳米纤维层，从第一层至第八层微珠/纳米纤维层，其中的微珠含量依次递增，其过滤效率和阻力压降依次递减，从而形成具有梯度结构的微珠/纳米纤维过滤层；最后，采用点状热轧技术将非织造布基材、微珠/纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层进行复合，得到具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料，该过滤材料对1μm以下颗粒物的过滤效率达到99%以上，阻力压降小于120Pa。

Claims (6)

1.一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料，其特征在于：其包括从下而上设置的非织造布基材、具有梯度结构的多层微珠/纳米纤维层和非织造布覆盖层；
所述微珠/纳米纤维层由静电纺聚酰胺6微珠和光滑连续的聚酰胺6纳米纤维混合形成，所述微珠/纳米纤维层具有三维立体互通孔隙结构，所述微珠在纳米纤维中的含量沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递增。
2.根据权利要求1所述的具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料，其特征在于：所述复合空气过滤材料结构为非织造布基材、微珠/纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层形成的三明治复合结构。
3.根据权利要求1所述的具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料，其特征在于：所述的非织造布基材和非织造布覆盖层均选自聚丙烯纤维、聚酯纤维的熔喷和纺粘非织造布中的一种。
4.根据权利要求1所述的具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料，其特征在于：所述复合过滤材料的核心过滤部分为微珠/纳米纤维层，所述复合过滤材料对1μm以下颗粒物的过滤效率达到99%以上，阻力压降小于120Pa。
5.一种如权利要求1所述的具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法按以下步骤进行：
第一步，纺制微珠及纳米纤维的两种纺丝液的配置：将一定量的聚酰胺6加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为6-10%的均匀、稳定的纺丝液，作为聚酰胺6微珠的纺丝溶液；将一定量的聚酰胺6加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为18-28%的均匀、稳定的纺丝液，作为聚酰胺6纳米纤维的纺丝溶液；
第二步，单层微珠/纳米纤维层的制备：将纺制聚酰胺6微珠的纺丝液和纺制聚酰胺6纳米纤维的纺丝液分别注入两个注射器中，将两个注射器固定在双针道静电纺丝机内，用两个鳄鱼夹分别与两个注射器的针头相连，再将高压直流电源的正极与鳄鱼夹相连，高压直流电源的负极与金属接收滚筒连接并接地，接收滚筒上包覆有非织造布基材，启动该双针道静电纺丝机，在接收滚筒的非织造布基材表面同时沉积聚酰胺6微珠和聚酰胺6纳米纤维，得到混合均匀的微珠/纳米纤维层；
第三步，具有梯度结构的多层微珠/纳米纤维层的制备：制备沉积在非织造布基材上的第一层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中注入一定量的纺制纳米纤维的纺丝液，在另一个注射器中注入较少的纺制微珠的纺丝液，即控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比例较低，然后在第二步所述的双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到第一层微珠/纳米纤维层，第一层微珠/纳米纤维层中的微珠含量较少，过滤效率较高，阻力压降较大；
制备沉积在非织造布基材上的第二层微珠/纳米纤维层时，在一个注射器中注入相同质量的纺制纳米纤维的纺丝液，在另一个注射器中注入比第一次多的纺制微球的纺丝液，即控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比例比第一次的质量比例大，然后在第二步所述的双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到第二层微珠/纳米纤维层，第二层微珠/纳米纤维层中的微珠含量比第一层多，过滤效率比第一层低，阻力压降比第一层小；
以此类推，制备沉积在非织造布基材上的第n层微珠/纳米纤维层时，控制纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比例比第n-1次的质量比例大，得到的第n层微珠/纳米纤维层中的微珠含量比第n-1层多，第n层微珠/纳米纤维层的过滤效率比第n-1层低，阻力压降比第n-1层小，n为大于等于3的整数；通过调节纺制微珠的纺丝液与纺制纳米纤维的纺丝液的质量比，控制微珠的含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增，各个微珠/纳米纤维层的过滤效率沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递减，阻力压降沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递减，从而得到具有梯度结构的多层微珠/纳米纤维过滤层；
第四步，过滤材料的复合：在最后一层微珠/纳米纤维层的表面覆盖一层非织造布过滤材料，采用点状热轧技术将非织造布基材、具有梯度结构的微珠/纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层复合在一起，点状复合热轧温度为160-200℃，得到三明治结构复合过滤材料。
6.根据权利要求5所述的一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料的制备方法，其特征在于，两个注射器在双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到混合均匀的微珠/纳米纤维层时，纺丝参数为：纺丝电压15-30kV，接收距离15-25cm，纺丝速度0.1-1mL/h，温度20-30℃，相对湿度40-60%。
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