CN106039854A - 用于过滤空气的滤芯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于过滤空气的滤芯，属于空气净化领域，其包括壳体，壳体具有进气端和出气端，壳体内由进气端向出气端依次设置有初滤层、微滤层和纳滤层，微滤层包括至少两层相互重叠的微米纤维膜，纳滤层包括至少两层相互重叠的纳米纤维膜，微米纤维膜和纳米纤维膜均采用含有壳聚糖的原料通过静电纺丝工艺加工而成。这种用于过滤空气的滤芯，采用多级滤芯的组合，针对不同粒径的气溶胶颗粒，分离过滤净化，过滤效率高。这种用于过滤空气的滤芯，对空气中的PM2.5颗粒的过滤效率在99.9％以上，实现PM2.5的高效净化。试验表明，本发明相比于现有的空气净化器中的滤芯来说，其过滤效率是其原有滤芯的100倍以上。

Description

用于过滤空气的滤芯
技术领域
本发明涉及空气净化领域，具体而言，涉及一种用于过滤空气的滤芯。
背景技术
空气中含有大量的细颗粒物、有害气体等，其中细颗粒物能够长时间的悬浮于空气中。这些颗粒物的粒径小、面积大、活动性强，其易附带有毒、有害物质，例如，重金属、微生物病原体等，且这些细颗粒物在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。目前的空气净化器对于直径很小的细颗粒物的滤过作用不好，净化效率不高。
发明内容
本发明提供了一种用于过滤空气的滤芯，旨在改善现有的空气净化器中的过滤装置对细颗粒物的净化效率不高的问题。
本发明是这样实现的：
一种用于过滤空气的滤芯，包括壳体，壳体具有进气端和出气端，壳体内由进气端向出气端依次设置有初滤层、微滤层和纳滤层，微滤层包括至少两层相互重叠的微米纤维膜，纳滤层包括至少两层相互重叠的纳米纤维膜，微米纤维膜和纳米纤维膜均以壳聚糖为主要原料通过静电纺丝工艺加工而成。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，静电纺丝工艺中，还包括将壳聚糖与粘合剂混合后进行静电纺丝的步骤。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述粘合剂为聚环氧乙烷或者聚乳酸－羟基乙酸共聚物。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述静电纺丝工艺中，还包括将壳聚糖与交联剂混合后进行静电纺丝的步骤。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述交联剂为戊二醛或者京尼平。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述微米纤维膜的纤维直径为80－200nm，微米纤维膜的厚度为0.6－0.9μm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述纳米纤维膜的纤维直径为50－100nm，纳米纤维膜厚度为0.5－1μm。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述初滤层为不锈钢金属丝滤网。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述初滤层包括不锈钢金属丝滤网和玻璃纤维毡，玻璃纤维毡位于不锈钢金属丝滤网的靠近出气端的一侧。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述壳聚糖与粘合剂的体积比为2－3：1。
本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的用于过滤空气的滤芯，从进气端到出气端依次排列有初滤层、微滤层和纳滤层。其中，初滤层用于支撑壳体并用于拦截空气中大部分的粉尘和较大的固体颗粒；微滤层用于拦截空气中的尺寸为微米级的颗粒物；纳滤层用于拦截空气中尺寸为纳米级的细颗粒物，PM2.5的细颗粒物在纳滤层的截留效果最好。
微滤层和纳滤层均为多层结构，其中，微滤层中的多层微米纤维膜和纳滤层的多层纳米纤维膜均是采用静电纺丝工艺加工而成，不同之处在于微米纤维膜中的纤维直径是微米级的，而纳米纤维膜中的纤维直径是纳米级的。在静电纺丝工艺中，采用的主要原料是壳聚糖。壳聚糖具有生物兼容性，可自然降解，绿色环保。
本发明提供的这种用于过滤空气的滤芯，采用多级滤芯的组合，针对不同粒径的气溶胶颗粒，分离过滤净化，过滤效率高。这种用于过滤空气的滤芯，对空气中的PM2.5颗粒的过滤效率在99.9％以上，实现PM2.5的高效净化。试验表明，本发明相比于现有的空气净化器中的滤芯来说，其过滤效率是其原有滤芯的100倍以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施方式提供的用于过滤空气的滤芯的结构示意图；
图2是本发明中实施方式提供的由壳聚糖和聚环氧乙烯加工而成的复合纳米纤维的扫描电子显微镜图，其中，b图是a图的局部放大图；
图3是本发明中实施方式提供的由壳聚糖和京尼平加工而成的复合纳米纤维的扫描电子显微镜图，其中，a图为壳聚糖纳米纤维经京尼平交联6小时的SEM图；b图为壳聚糖纳米纤维经京尼平交联24小时的SEM图。
图中标记分别为：
用于过滤空气的滤芯100；壳体110；进气端101；出气端102；初滤层120；微滤层130；微米纤维膜131；纳滤层140；纳米纤维膜141。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1，参照图1至图3所示，
本实施例提供一种用于过滤空气的滤芯100，如图1所示，该用于过滤空气的滤芯100包括壳体110，壳体110具有进气端101和出气端102，壳体110内依次设置有初滤层120、微滤层130和纳滤层140。此处需要说明的是，图1中滤芯中初滤层120、微滤层130以及纳滤层140之间的间隙并不作为实际滤芯制作时的标准，仅是为了示例滤芯的不同层。
初滤层120靠近进气端101设置，纳滤层140靠近出气端102设置。其中，初滤层120用于支撑壳体110并用于拦截空气中大部分的粉尘和较大的固体颗粒；微滤层130用于拦截空气中尺寸为微米级的颗粒物；纳滤层140用于拦截空气中尺寸为纳米级的细颗粒物，PM2.5的细颗粒物在纳滤层140的截留效果最好。
如图1所示，微滤层130包括至少两层相互重叠的微米纤维膜131，纳滤层140包括至少两层相互重叠的纳米纤维膜141。此处需要说明的是，图1中微滤层130中微米纤维膜131之间的间隙、以及纳滤层140中纳米纤维膜111之间的间隙，并不作为实际滤芯制作时的标准，仅是为了示例滤芯的不同层。微滤层130和纳滤层140均为多层结构，其中，微滤层130中的多层微米纤维膜131和纳滤层140的多层纳米纤维膜141加工工艺相同，不同之处在于微米纤维膜131中的纤维直径是微米级的，而纳米纤维膜141中的纤维直径是纳米级的。
微米纤维膜131和纳米纤维膜141均采用包含壳聚糖的原料通过静电纺丝工艺加工而成。壳聚糖是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的。壳聚糖这种天然高分子具有生物相容性和微生物降解性，绿色环保。
壳聚糖具有抑制细菌的活性，即壳聚糖在弱酸溶剂中易于溶解，特别值得指出的是溶解后的溶液中含有氨基(NH2 +)，这些氨基通过结合负电子来抑制细菌。壳聚糖的抑制细菌活性，使由壳聚糖制成的纳米纤维膜141和微米纤维膜131均具有抑制细菌的活性，从而使该空气净化器对空气中的细菌等病原体也有很好的抑制作用。
与此同时，壳聚糖还具有很强的吸附性能。许多重金属离子都可以被壳聚糖吸附，由壳聚糖制成的纳米纤维膜141和微米纤维膜131均能够有效的吸附空气中有害的重金属离子，从而提高该空气净化器对空气中重金属离子的过滤效率。
需要说明的是，在本发明中的静电纺丝工艺，是一种特殊的纤维制造工艺，且这种工艺在纤维制造领域已被广泛应用。聚合物溶液或熔体，在本发明中，即为壳聚糖溶液，在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形，并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。通过控制该工艺中的不同的参数，这种方式可以生产出微米级直径的聚合物细丝和纳米级直径的聚合物细丝。
为了将微米纤维膜131和纳米纤维膜141中纤维的粒径控制在一定范围内，并使其具有很好的成膜性和机械性能，在静电纺丝工艺中，壳聚糖的浓度为5－8％。优选的，壳聚糖的浓度为6.5％。
为了增加微米纤维膜131和纳米纤维膜141的力学性能，降低以微米纤维膜131和纳米纤维膜141来制作空气净化器的滤芯的制作难度，同时也能增强这种滤芯的耐用性，本发明提供两种增强微米纤维膜131和纳米纤维膜141的力学性能的方式。
其中，一种是纤维复合化，即以壳聚糖为主要原料，在其中加入粘合剂，经过预处理后进行静电纺丝，形成共轴复合纤维，以提高壳聚糖纤维膜的力学性能。其中，为了提高成膜性，壳聚糖与粘合剂的体积比为2－3：1，优选为2.5：1。
在本发明较佳的实施例中，粘合剂为聚环氧乙烯(PEO)。PEO是一种结晶性、热塑性的水溶性聚合物，可以和许多聚合物形成络合物。在本发明中，在壳聚糖溶液中，加入PEO能够调节壳聚糖溶液的粘度，在静电纺丝的过程中，成膜效果好，并通过PEO与壳聚糖形成共轴复合物，增强壳聚糖纤维膜的力学性能。
由壳聚糖和PEO加工而成的复合纳米纤维在扫描电子显微镜(SEM)下观察，如图2所示，其中b图是a图中箭头处的局部放大图。从a图中，可以看出在壳聚糖纤维膜中，各纤维丝的直径基本一致，且相互交错。从图b中可以看出，单个纤维丝的直径为111nm，且每个纤维丝中均含有壳聚糖和PEO，使每个纤维丝的力学性能增强，从而使壳聚糖纤维膜的力学性能得到大幅提升。
在本发明的其他实施例中，粘合剂为聚乳酸－羟基乙酸共聚物(PLGA)。PLGA是由乳酸和羟基乙酸随机聚合而成，是一种可降解的功能性高分子有机化合物，具有良好的生物相容性、毒性很小和良好的成膜的性能。在本发明中，在壳聚糖溶液中，加入PLGA能够调节壳聚糖溶液的粘度，在静电纺丝的过程中，成膜效果好，并通过PLGA与壳聚糖形成共轴复合物，增强壳聚糖纤维膜的力学性能。
另一种增强微米纤维膜131和纳米纤维膜141的力学性能的方式是纤维交联化，即以壳聚糖为主要原料，在其中加入交联剂，经过预处理后进行静电纺丝，形成交联化纤维，从而提高壳聚糖纤维膜的力学性能。
在本发明较佳的实施例中，上述交联剂为戊二醛。戊二醛具有双官能团，其中的醛基能够与壳聚糖中的氨基发生缩合反应，即一份子的戊二醛可以同时连接两分子的壳聚糖，增加纤维丝之间的交联度，从而增加壳聚糖纤维膜的力学性能。
在本发明的其它实施例中，上述交联剂为京尼平。京尼平(Genipin)是栀子苷经β－葡萄糖苷酶水解后的产物。Genipin是一种优良的天然生物交联剂，其毒性原小于戊二醛和其他常用的化学交联剂，可以壳聚糖交联，形成交联化纤维，从而提高壳聚糖纤维膜的力学性能。
由壳聚糖和Genipin加工而成的复合纳米纤维在扫描电子显微镜(SEM)下观察，如图3所示，其中a图为壳聚糖纳米纤维经Genipin交联6小时的SEM图；b图为壳聚糖纳米纤维经Genipin交联24小时的SEM图。通过对比a图和b图可知，壳聚糖纳米纤维与Genipin交联6小时，即可达到交联效果。
在静电纺丝过程中，壳聚糖纤维的直径可以通过调节纺丝的高压直流电压的大小来控制。例如，在本发明中，通过调节纺丝的高压直流电压在40－70KV范围内，将微米纤维膜131的纤维直径控制在80－200nm，而厚度为0.6－0.9μm。作为优选的，通过调节纺丝的高压直流电压在50－60KV范围内，将微米纤维膜131的纤维直径控制在100－130nm，而厚度为0.7－0.8μm。在本实施例中，通过调节纺丝的高压直流电压为55KV，微米纤维膜131的纤维直径为111nm，而厚度为0.75μm。
此外，本发明中的纳米纤维膜141的纤维直径也可通过上述方法来控制。即通过调节纺丝的高压直流电压在60－100KV范围内，将纳米纤维膜141的纤维直径控制在50－100nm，而厚度为0.5－1μm。作为优选的，通过调节纺丝的高压直流电压在80－90KV范围内，将纳米纤维膜141的纤维直径控制在70－80nm，而厚度为0.7－0.8μm。在本实施例中，通过调节纺丝的高压直流电压为75KV，纳米纤维膜141的纤维直径为70nm，而厚度为0.75μm。
在本实施例中，初滤层120为不锈钢金属丝滤网。不锈钢过滤网既能起到支撑壳体110的作用，同时具有容尘量高的特点，能够拦截空气中气溶胶中的大部分的粉尘和较大的固体颗粒，起到对气流进行初步过滤、保护下游高精度过滤段的作用。下游高精度过滤段即为微滤层130和纳滤层140。
在本发明的其他实施例中，初滤层120包括不锈钢金属丝滤网和玻璃纤维毡，其中玻璃纤维毡位于不锈钢金属丝滤网的靠近出气端102的一侧，即不锈钢金属丝滤网靠近进气端101，玻璃纤维毡靠近出气端102设置。当初滤层120为玻纤毡和不锈钢金属丝滤网时，具有容尘量大、过滤粒径范围广的特点，能够起到对气流初步过滤、保护下游高精度过滤段的作用，初虑效果更佳。
综上所述，本发明提供的这种用于过滤空气的滤芯100，从进气端101到出气端102依次排列有初滤层120、微滤层130和纳滤层140，采用多级滤芯的组合，针对不同粒径的气溶胶颗粒，分离过滤净化，过滤效率高。这种用于过滤空气的滤芯100，对空气中的PM2.5颗粒的过滤效率在99.9％以上，实现PM2.5的高效净化。试验表明，本发明相比于现有的空气净化器中的滤芯来说，其过滤效率是其原有滤芯的100倍以上。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，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)

1.一种用于过滤空气的滤芯，包括壳体，其特征在于，所述壳体具有进气端和出气端，所述壳体内由所述进气端向所述出气端依次设置有初滤层、微滤层和纳滤层，所述微滤层包括至少两层相互重叠的微米纤维膜，所述纳滤层包括至少两层相互重叠的纳米纤维膜，所述微米纤维膜和所述纳米纤维膜均采用含有壳聚糖的原料通过静电纺丝工艺加工而成。
2.根据权利要求1所述的用于过滤空气的滤芯，其特征在于，所述静电纺丝工艺中，还包括将所述壳聚糖与粘合剂混合后进行静电纺丝的步骤。
3.根据权利要求2所述的用于过滤空气的滤芯，其特征在于，所述粘合剂为聚环氧乙烷或者聚乳酸－羟基乙酸共聚物。
4.根据权利要求1所述的用于过滤空气的滤芯，其特征在于，所述静电纺丝工艺中，还包括将所述壳聚糖与交联剂混合后进行静电纺丝的步骤。
5.根据权利要求4所述的用于过滤空气的滤芯，其特征在于，所述交联剂为戊二醛或者京尼平。
6.根据权利要求1所述的用于过滤空气的滤芯，其特征在于，所述微米纤维膜的纤维直径为80－200nm，所述微米纤维膜的厚度为0.6－0.9μm。
7.根据权利要求6所述的用于过滤空气的滤芯，其特征在于，所述纳米纤维膜的纤维直径为50－100nm，所述纳米纤维膜厚度为0.5－1μm。
8.根据权利要求1所述的用于过滤空气的滤芯，其特征在于，所述初滤层为不锈钢金属丝滤网。
9.根据权利要求1所述的用于过滤空气的滤芯，其特征在于，所述初滤层包括不锈钢金属丝滤网和玻璃纤维毡，所述玻璃纤维毡位于所述不锈钢金属丝滤网的靠近所述出气端的一侧。
10.根据权利要求2所述的用于过滤空气的滤芯，其特征在于，所述壳聚糖与所述粘合剂的体积比为2－3：1。
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