CN106362492A - 一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法 - Google Patents

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陆赵情
苏治平
张美云
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Abstract

本发明公开了一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，步骤一：制备植物纤维分散体；步骤二：对纤维分散体进行原细化处理得到原细化植物纤维；步骤三：将原细化植物纤维加水稀释，然后经机疏解得到分散均匀的浆料悬浮液；步骤四：将分散均匀的浆料悬浮液倾倒于成型模具中，经过冷冻处理实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；步骤五：对步骤四成型好的植物纤维空气过滤材料进行冷冻干燥处理，得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。利用本发明的制备方法和技术制备出来的纤维素基空气过滤材料完全可以生物降解，且松厚度高、匀度好、空隙结构分布均匀、具有较强的粒子截留和过滤性能。

Description

一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法
技术领域
本发明属于多孔复合材料与环境科学交叉领域，具体涉及一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法。
背景技术
随着工业化进程不断加快，以及化石燃料的大量使用，近些年来雾霾已经成为一项最夺目的环境污染问题，对人们的健康带来了严重威胁。为了缓解雾霾带来的环境问题，很多空气过滤材料已被开发出来，用于工业除尘、室内空气净化、汽车尾气过滤等领域。目前，市场上用于空气过滤的材料主要有三种：化纤复合滤材、PTFE覆膜滤材和玻璃纤维滤材，尽管这些空气过滤材料体现出良好的空气过滤效果，但是其也存在一定的弊端，例如其不可生物降解性、回收处理难等缺点会对环境带来二次污染，因此开发一种可以生物降解的空气过滤材料具有良好的市场前景和社会效益。
植物纤维是一种广泛存在于大自然中的纤维素基生物可降解和可再生资源，来源广泛，价格低廉，而且植物纤维自身也是一种多孔材料，具有较高的比表面积和较强的吸附性，因此以植物纤维为原料制备生物可降解性空气过滤材料具有很大的发展潜力。冷冻干燥技术可以保持物质的本质结构和形貌，避免传统的升温干燥对物质结构和形貌的破坏，是生物工程、柔性多孔复合材料等领域常用的技术手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，利用本发明的技术和方法制备的空气过滤材料结构疏松、孔隙结分布均匀、透气性强、空气过滤效率高、生物可降解性强，而且制备工艺简单，原材料来源广泛、价格低廉。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备植物纤维分散体；
步骤二：对纤维分散体进行原细化处理得到原细化植物纤维；
步骤三：将原细化植物纤维加水稀释，然后经机疏解得到分散均匀的浆料悬浮液；
步骤四：将分散均匀的浆料悬浮液倾倒于成型模具中，经过冷冻处理实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；
步骤五：对步骤四成型好的植物纤维空气过滤材料进行冷冻干燥处理，得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。
进一步地，步骤一中用于制备纤维分散体的纤维原料为木材纤维、非木材纤维或半木材纤维。
进一步地，步骤一中制备植物纤维分散体的方法为：按照质量浓度为1～1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡4～8小时，然后在标准疏解机中疏解15000～75000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体。
进一步地，步骤二中对纤维分散体进行原细化处理的方法为：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％的植物纤维浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理5000～30000转，即得到原细化植物纤维。
进一步地，步骤三中制备浆料悬浮液具体方法为：将原细化植物纤维加水稀释到质量浓度为0.5～2％，然后将其倾倒于标准疏解机中疏解5000～30000r，得到分散均匀的浆料悬浮液。
进一步地，步骤四中的冷冻成型植物纤维空气过滤材料具体为：
(1)冷冻处理包括：冷冻器冷冻、固体二氧化碳冷冻、液氮冷冻；
(2)冷冻温度为-10～-196℃，冷冻时间为10min～8h。
进一步地，步骤五中冷冻干燥处理条件为：将成型模具置于冷冻干燥机内实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料脱水干燥，冷冻干燥机内的温度为-10～-60℃，真空度为5～20Pa，干燥时间为48～84h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用冷冻干燥工艺，完成了植物纤维空气过滤材料的成型和干燥，冷冻干燥过程中在真空作用下水分直接由固体升华为气体，避免了升温干燥水分蒸发过程中对纤维带来的角质化等作用，从而减少了干燥过程对植物纤维空气过滤材料孔隙结构的破坏。制备出来的植物纤维空气过滤材料具备松厚度高、匀度好、空隙结构分布均匀、粒子截留吸附能力强、过滤性能优异等特点。而且利用本发明的一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法制备植物纤维空气过滤材料不但工艺简单、可操作性强，而且原材料资源丰富、可再生、价格低廉。此外，本发明制备的纤维素基空气过滤材料完全可以生物降解，而且可以回收利用，可以避免对环境带来的二次污染。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是本发明制备的纤维素基生物可降解型空气过滤材料的实物图；
图3是本发明制备的纤维素基生物可降解型空气过滤材料(实施例6)和普通一次性口罩空气过滤效率的对比图；
图4是本发明制备的纤维素基生物可降解型空气过滤材料(实施例6)和普通一次性口罩质量因子的对比图。
具体实施方式
下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：
一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：制备植物纤维分散体：按照质量浓度为1～1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡4～8小时，然后在标准疏解机中疏解15000～75000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体，其中，所用纤维原料为木材纤维(针叶木纤维、阔叶木纤维)、非木材纤维(禾本科纤维、韧皮纤维、籽毛纤维和叶部纤维)或半木材纤维(棉秆)；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为植物纤维浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理5000～30000转，即可得到原细化植物纤维；
步骤三：将步骤二得到的原细化植物纤维加水稀释到质量浓度为0.5～2％，然后将其倾倒于标准疏解机中疏解5000～30000r，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：将分散均匀的植物纤维悬浮液倾倒于成型模具中，利用常规冷冻器，或固体二氧化碳(-78.5℃)，或液氮(-196℃)，或其他冷冻设备及方法，在-10～196℃下，对植物纤维悬浮液冷冻20min～8h，实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；
步骤五：将成型好的植物纤维空气过滤材料连同成型模具一起置于冷冻干燥机内，控制冷冻干燥机内的温度为-10～-60℃，真空度为5～20Pa，对成型好的植物纤维空气过滤材料冷冻干燥48～84h，即得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的针叶木纤维浆板，按照质量浓度为1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡8小时，然后在标准疏解机中疏解30000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理5000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为0.5％，然后将其倾倒于标准疏解机中疏解5000r，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：将分散均匀的植物纤维悬浮液倾倒于成型模具中，利用常规冷冻器在-10℃下，对植物纤维悬浮液冷冻8h，实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；
步骤五：将成型好的植物纤维空气过滤材料连同成型模具一起置于冷冻干燥机内，控制冷冻干燥机内的温度为-10℃，真空度为5Pa，对成型好的植物纤维空气过滤材料冷冻干燥84h，即得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。
实施例2
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的阔叶木纤维浆板，按照质量浓度为1.0％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡4小时，然后在标准疏解机中疏解15000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理15000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为2.0％，然后将其倾倒于标准疏解机中疏解20000r，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：将分散均匀的植物纤维悬浮液倾倒于成型模具中，利用常规冷冻器在-47℃下，对植物纤维悬浮液冷冻4h，实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；
步骤五：将成型好的植物纤维空气过滤材料连同成型模具一起置于冷冻干燥机内，控制冷冻干燥机内的温度为-60℃，真空度为20Pa，对成型好的植物纤维空气过滤材料冷冻干燥48h，即得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。
实施例3
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的禾本科纤维浆团，按照质量浓度为1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡6小时，然后在标准疏解机中疏解75000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理10000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为1.0％，然后将其倾倒于标准疏解机中疏解30000r，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：将分散均匀的植物纤维悬浮液倾倒于成型模具中，利用液氮在-196℃下，对植物纤维悬浮液冷冻20min，实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；
步骤五：将成型好的植物纤维空气过滤材料连同成型模具一起置于冷冻干燥机内，控制冷冻干燥机内的温度为-47℃，真空度为10Pa，对成型好的植物纤维空气过滤材料冷冻干燥72h，即得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。
实施例4
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的棉杆纤维浆板，按照质量浓度为1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡8小时，然后在标准疏解机中疏解20000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理30000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为1.5％，然后将其倾倒于标准疏解机中疏解20000r，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：将分散均匀的植物纤维悬浮液倾倒于成型模具中，利用固体二氧化碳在-78.5℃下，对植物纤维悬浮液冷冻2h，实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；
步骤五：将成型好的植物纤维空气过滤材料连同成型模具一起置于冷冻干燥机内，控制冷冻干燥机内的温度为-47℃，真空度为8Pa，对成型好的植物纤维空气过滤材料冷冻干燥60h，即得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。
实施例5
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的韧皮纤维浆板，按照质量浓度为1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡8小时，然后在标准疏解机中疏解40000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理20000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为1.0％，然后将其倾倒于标准疏解机中疏解10000r，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：将分散均匀的植物纤维悬浮液倾倒于成型模具中，利用常规冷冻器在-47℃下，对植物纤维悬浮液冷冻8h，实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；
步骤五：将成型好的植物纤维空气过滤材料连同成型模具一起置于冷冻干燥机内，控制冷冻干燥机内的温度为-47℃，真空度为15Pa，对成型好的植物纤维空气过滤材料冷冻干燥84h，即得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。
实施例6
步骤一：准备植物纤维分散体：称取相当于绝干量为20g的针叶木纤维浆板，按照质量浓度为1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡8小时，然后在标准疏解机中疏解30000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体；
步骤二：纤维原细化处理：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％为浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理20000转，即可得到原细化的植物纤维；
步骤三：将步骤二原细化处理后的植物纤维加水稀释到质量浓度为1.5％，然后将其倾倒于标准疏解机中疏解20000r，得到分散均匀的植物纤维悬浮液；
步骤四：将分散均匀的植物纤维悬浮液倾倒于成型模具中，利用常规冷冻器在-47℃下，对植物纤维悬浮液冷冻4h，实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；
步骤五：将成型好的植物纤维空气过滤材料连同成型模具一起置于冷冻干燥机内，控制冷冻干燥机内的温度为-47℃，真空度为10Pa，对成型好的植物纤维空气过滤材料冷冻干燥72h，即得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。

Claims (7)

1.一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备植物纤维分散体；
步骤二：对纤维分散体进行原细化处理得到原细化植物纤维；
步骤三：将原细化植物纤维加水稀释，然后经机疏解得到分散均匀的浆料悬浮液；
步骤四：将分散均匀的浆料悬浮液倾倒于成型模具中，经过冷冻处理实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料的成型；
步骤五：对步骤四成型好的植物纤维空气过滤材料进行冷冻干燥处理，得到纤维素基生物可降解型空气过滤材料。
2.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤一中用于制备纤维分散体的纤维原料为木材纤维、非木材纤维或半木材纤维。
3.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤一中制备植物纤维分散体的方法为：按照质量浓度为1～1.2％，向植物纤维浆板/浆团中加水浸泡4～8小时，然后在标准疏解机中疏解15000～75000转，完成植物纤维的解离，获得植物纤维分散体。
4.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤二中对纤维分散体进行原细化处理的方法为：
(1)对步骤一中的植物纤维分散体进行浓缩处理，获得质量浓度为10％的植物纤维浆团；
(2)将质量浓度为10％的植物纤维浆团置于PFI磨浆机中磨浆处理5000～30000转，即得到原细化植物纤维。
5.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤三中制备浆料悬浮液具体方法为：将原细化植物纤维加水稀释到质量浓度为0.5～2％，然后将其倾倒于标准疏解机中疏解5000～30000r，得到分散均匀的浆料悬浮液。
6.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤四中的冷冻成型植物纤维空气过滤材料具体为：
(1)冷冻处理包括：冷冻器冷冻、固体二氧化碳冷冻、液氮冷冻；
(2)冷冻温度为-10～-196℃，冷冻时间为10min～8h。
7.根据权利要求1所述的一种纤维素基生物可降解型空气过滤材料的制备方法，其特征在于，步骤五中冷冻干燥处理条件为：将成型模具置于冷冻干燥机内实现纤维素基生物可降解型空气过滤材料脱水干燥，冷冻干燥机内的温度为-10～-60℃，真空度为5～20Pa，干燥时间为48～84h。
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