CN106884609A - 低压降的高效过滤pm2.5透明纳米窗纱及其制作方法 - Google Patents

低压降的高效过滤pm2.5透明纳米窗纱及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱，包括玻纤网格层、热熔胶膜层和纳米纤维膜层等；纳米纤维膜层通过静电纺丝方法制备而成；本发明还同时公开了其制备方法，包括利用热粘合法通过热熔胶膜将纳米纤维膜层牢固的复合在玻纤网格上。这种纳米窗纱具有低压降、高效过滤PM2.5、高透明度、且结构简单、具有工业化应用生产的优势，能够有效改善室内空气质量及提高人们生活水平。

Description

低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种窗纱及其制作方法，具体是一种透明的可过滤PM2.5颗粒的纳米窗纱。
背景技术
随着快速的工业化、城市化及现代化进程的发展，许多发展中国家都经历着严重的空气污染，尤其是雾霾天气愈发频繁。雾霾是大量悬浮颗粒物(有机和无机的固液混合物)的集体表现，主要含有硫酸盐、硝酸盐、氨、碳氢化合物、氯化钠、黑碳、矿物粉尘和水。当这些悬浮颗粒物的尺寸小于2.5微米时(简称PM 2.5)，易于富集空气中的毒害物质，同时，在可吸入颗粒物中约占70％，对人体健康构成很大的威胁，因而PM 2.5越来越多的受到人们以及科学界的关注。
人们大部分的时间都是呆在室内，室内与室外的空气交换主要是通过窗户来完成，为了保证室内空气的质量，采取一定措施对空气进行净化是十分必要的。目前市场上的窗纱，虽然能有效的进行室内室外空气交换，但窗纱的孔径较大，无法阻隔PM2.5，因此不能改善室内空气质量。虽然，空气净化器能够有效改善室内空气质量，但其昂贵且耗能，普通家庭无法承担，同时，耗能本就是一种污染。其次，空气净化器占用生活空间，在当今寸土寸金的环境下，占用生活空间的消费实在是一种奢侈消费。此外，空气净化器在夜晚使用时的噪音影响睡眠质量。最后，空气净化器的核心过滤材料需要定期的更换，增加使用维护成本。
由于纳米纤维膜在过滤领域一直有着其独特的优势，因而，国内外一些公司开始研发包含有纳米纤维膜结构的窗纱。然而，目前仍存在一些难题亟待解决，这些难题主要可以归为三点：(1)窗纱的力学性能不够，偏软；这个问题包含一组矛盾，采用无纺布作为收集纳米纤维的基材，可以很好的保护后续窗纱制作的纳米纤维，但力学性能和透明度不佳；而力学性能与透光性良好的玻璃纤维网格由于不具有抗静电性，而无法作为收集纳米纤维的基材；(2)窗纱的透明度不够，影响人们对室外环境的视觉享受；(3)窗纱的压降(空气阻力)较大，影响空气交换效率。此外，纳米纤维在窗纱制作的工艺流程中容易被损坏。
根据所公开的发明专利(申请号为201410558611.8)所述，目前现有的含有纳米纤维膜结构的窗纱为：两层无纺布和置于两层无纺布间的纳米纤维层；其制备方法为：利用电场力的作用将PES(聚醚砜)溶液牵拉成纳米纤维，沉积在聚丙烯无纺布上。根据所授权的实用新型专利(授权公告号为CN205000880)所述，目前现有的含有纳米纤维膜结构的窗纱为：附着有纳米纤维的碳无纺布。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有良好力学性能、低压降、高度透明的、并且能够高效过滤PM2.5颗粒的纳米窗纱及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱，所述窗纱包括玻璃纤维网格层和纳米纤维膜层。
作为本发明的低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱的改进：所述窗纱还包括热熔胶膜层。
作为本发明的低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱的进一步改进：
所述窗纱为如下任意一种：
A、窗纱由如下五层组成：
依次排列的玻璃纤维网格层、热熔胶膜层、纳米纤维膜层、空气层、玻璃纤维网格层；
或者依次排列的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、热熔胶膜层、空气层、玻璃纤维网格层；
所述的空气层间距为5mm～30mm；
B、所述窗纱由如下四层组成：
依次排列的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、空气层、玻璃纤维网格层；
所述的空气层间距为5mm～30mm；
C、所述窗纱由如下三层组成：
所述窗纱由依次排列(紧贴)的玻璃纤维网格层、热熔胶膜层和纳米纤维膜层组成；
或者，所述窗纱由依次排列(紧贴)的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层和热熔胶膜层组成。
D、所述窗纱由如下二层组成：
所述窗纱由依次排列(紧贴)的玻璃纤维网格层和纳米纤维膜层组成。
作为本发明的低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱的进一步改进：
所述纳米纤维膜层中，纳米纤维的直径为50nm～400nm，纳米纤维膜层的孔径为50nm～1500nm；纳米纤维膜层的面密度为0.5g/m2～4g/m2。
说明：该纳米纤维膜层是用静电纺丝法制备而成。
作为本发明的低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱的进一步改进：所述热熔胶膜层的克重为6g/m2～16g/m2。
作为本发明的低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱的进一步改进：玻璃纤维网格层(为常规玻璃纤维网格)，玻璃纤维直径为0.3mm～2mm，网格边长为0.5cm～3cm。
本发明还同时提供了上述低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱的制备方法：
窗纱通过热粘合法制成复合结构，热粘合温度为75℃～130℃，压力为5Mpa～50Mpa，时间为10s～50s。
作为本发明的窗纱的制备方法的改进：窗纱通过热粘合法制作时，热熔胶膜层原始形态可以是膜也可以是粉末。
作为本发明的窗纱的制备方法的进一步改进：
利用静电纺丝设备纺出纳米纤维，并将纳米纤维沉积在收集基材上，收集基材为抗静电纸、热熔胶膜(也可以为其它材料)；
利用热粘合方法将纳米纤维膜复合到玻璃纤维网格上。
本发明涉及一种低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱及其制作方法，所述的窗纱结构是玻璃纤维网格布、热熔胶膜及纳米纤维膜这三种材料的各种组合形式；所述的纳米纤维膜是用静电纺丝法制备而成；所述的窗纱复合结构是通过热粘合法完成。
在本发明中，纳米纤维膜层可采用已经公开的专利WO2013/139533 A1《methodfor application of liquid polymeric material onto spinning cords and a devicefor production of nanofibers through electrostatic spinning》所述的静电纺丝法制备而成；
玻璃纤维网格布层可采用已经授权的专利CN204849202U《石英玻璃纤维网格布》所述的类似方法制备而成。
热熔胶膜层可采用已经授权的专利CN101967733A《一种热熔胶网膜的制备方法》所述的方法制备而成。
本发明的纳米窗纱制作方法，将热熔胶膜作为静电纺丝工艺中纳米纤维的收集基材，对在后续窗纱制作过程中的纳米纤维起到了良好的保护作用。
在本发明中：
1.采用了玻璃纤维网格布作为纳米纤维膜及热熔胶膜基材，使纳米纱窗有良好的力学性能；且由于玻璃纤维网格布有较大的网孔结构，不影响窗纱的透明度与透气性。
2.采用了纳米纤维膜，纳米纤维的高比表面积能够更高效的吸附微小颗粒；纳米纤维形成的纳米纤维膜具有多微孔结构，能够有效的阻隔PM2.5颗粒，且压降与空气阻力小；同时，由于纳米纤维膜微小的厚度，使窗纱有很好的透明度。
3.采用了热熔胶膜，更有效牢固的将纳米纤维膜层复合在玻璃纤维网格布上，同时热熔胶膜能够起到保护纳米纤维膜的功效。
4.采用了热熔胶膜作为静电纺丝工艺中纳米纤维的承载基材，对在后续窗纱制作过程中的纳米纤维起到了良好的保护作用。
本发明具有如下技术优势：
1、使用了具有高透光率及强度的玻璃纤维网格布，使整体窗纱的透光性不受到较大影响；同时，良好的强度是整体窗纱的力学性能得到保证，以及具有良好的外观。
2、使用了纳米纤维这种具有高比表面积的超细纤维，使用了具有高孔隙率及微小孔径的纳米纤维膜，能够有效吸附及隔离空气中的PM2.5及更小颗粒；同时，可以通过控制纳米纤维膜的面密度来调节其过滤PM2.5的效率。
3、使用了具有高透明度的高分子材料来制备纳米纤维，使制备而得的纳米纤维膜具有良好的透明度和透光性。
4、使用了合适的热熔胶膜，在保证玻璃纤维网格布与纳米纤维膜间有足够的粘合强度下，而不降低整体窗纱的透光性。
5、将热熔胶膜作为静电纺丝工艺中纳米纤维的承载基材，对在后续窗纱制作过程中的纳米纤维起到了良好的保护作用。
本发明的窗纱，具有良好的透光性，不影响人们对室外环境的视觉感官享受；具有较小的压降(空气阻力)，能使室内室外的空气进行有效的交换，保持室内空气清新；具有高效阻隔PM2.5的效果，保证室内良好的空气质量，改善人们室内生活品质；具有良好的力学性能及外观形态；具有不耗能，且不占用生活空间的优势。
综上所述，本发明提供了一种低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱及其制备方法，包括玻纤网格层、热熔胶膜层和纳米纤维膜层；纳米纤维膜层通过静电纺丝方法制备而成；利用热粘合法通过热熔胶膜将纳米纤维膜层牢固的复合在玻纤网格上。玻纤网格具有良好的力学性能及高透光率；合适的热熔胶膜材料具有良好的粘合效果及高透明度；纳米纤维膜具有高孔隙率、多微孔、及高比表面积，能够高效阻隔及吸附空气中的微小颗粒、小分子有害物质；同时，其对空气流动的阻力小、压降小；此外，合适的材料能使纳米纤维膜具有高透光率。这种纳米窗纱具有低压降、高效过滤PM2.5、高透明度、且结构简单、具有工业化应用生产的优势，能够有效改善室内空气质量及提高人们生活水平。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为透明纳米窗纱的示意图。
图2为图1中的纳米纤维膜层的扫描电镜下表面形态图。
图3为图1所述的透明纳米窗纱的扫描电镜下表面形态图。
其中，1、玻璃纤维网格层，2、纳米纤维膜层(或热熔胶膜层)，3、热熔胶膜层(或纳米纤维膜层)，4、空气层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、一种低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱的制备方法，依次进行以下步骤：
1)、纳米纤维膜层的制备：
聚偏氟乙烯溶液(聚偏氟乙烯溶于DMF溶剂，质量浓度为10％)在电场力的作用下被拉伸形成纳米纤维，沉积在以50厘米/分钟速度向前牵引的抗静电纸上，纳米纤维直径为50nm～150nm，所形成的纳米纤维膜层的孔径为50nm～1000nm，纳米纤维膜层的面密度为1g/m2。
备注说明：抗静电纸作为载体。
整个步骤1)的所得物称为带有抗静电纸的纳米纤维膜层。
2)、以热熔胶膜为粘合剂，通过热粘合法将纳米纤维膜层复合到玻璃纤维网格布上；具体为：
在玻璃纤维网格布上设置一层热熔胶膜(面密度为8g/m2)，然后在热熔胶膜层上设置步骤1)所得的带有抗静电纸的纳米纤维膜层，且使纳米纤维膜与热熔胶膜相贴合；
热粘合参数如下：热粘合温度为95℃，热粘合压力为15MPa，热粘合时间为20s；热熔胶膜位于纳米纤维膜与玻璃纤维网格布之间。
3)、上述步骤2)热粘合工艺完成之后，移除抗静电纸，得到三层结构的窗纱，具体为：相互之间紧贴的玻璃纤维网格层、热熔胶膜层和纳米纤维膜层。
聚偏氟乙烯纤维的特点是具有良好的耐化学性能，良好的力学性能、稳定的耐高温性能，高透明度以及无毒。通过静电纺丝法制备而成的聚偏氟乙烯纳米纤维膜具有均匀的结构，纳米纤维直径分布较为均一，孔径分布范围较窄，能够有效的阻隔及吸附PM2.5及微小颗粒。
性能检测：
将实施例1制备所得的窗纱按照GB/T 7689.5-2001标准进行拉伸性能的检测，所得检测结果数据为1500N/50mm；按照GB/T 2410-2008标准进行透光度的检测，所得检测结果数据为65％；按照ASTM D737-1996标准进行压降(空气阻力)的检测，所得检测结果数据为35Pa。按照DIN EN 1822-3和ISO 29463-3标准进行(阻隔及吸附PM2.5及微小颗粒)的检测，所得检测结果数据为80％。
实施例2、
1)、将面密度为8g/m2热熔胶膜整齐均匀的固定在抗静电纸上，得附着有热熔胶膜的抗静电纸，作为收集纳米纤维的基材。
2)、复合层(包含纳米纤维膜)的制备：
聚偏氟乙烯溶液(聚偏氟乙烯溶于DMF溶剂，浓度为10％)在电场力的作用下被拉伸形成纳米纤维，沉积在以50厘米/分钟速度向前牵引的附着有热熔胶膜的抗静电纸上，纳米纤维直径为50nm～150nm，所形成的纳米纤维膜的孔径为50nm～1000nm，纳米纤维膜的面密度为1g/m2。
整个步骤2)的所得物称为复合层，该复合层中，纳米纤维膜层、热熔胶膜层和抗静电纸层依次紧贴。
3)、将步骤2)所得的复合层与玻璃纤维网格通过热粘合法复合，具体为：
在玻璃纤维网格布上设置复合层，使复合层上的纳米纤维膜与玻璃纤维网格布相贴合；
热粘合参数如下：热粘合温度为95℃，热粘合压力为15MPa，热粘合时间为20s；从而形成依次为相互之间紧贴的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、热熔胶膜层和抗静电纸层。
4)、上述步骤3)的热粘合工艺完成之后，移除抗静电纸，得到三层结构的窗纱，具体为：相互之间紧贴的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层和热熔胶膜层。
性能检测(检测依据同实施例1)：
实施例2制备所得的窗纱拉伸性能的检测结果为1550N/50mm，透光度的检测结果为68％，压降(空气阻力)的检测结果为40Pa，阻隔及吸附PM2.5及微小颗粒的检测结果为93％。
实施例3、
1)、纳米纤维膜层的制备：
聚偏氟乙烯溶液(聚偏氟乙烯溶于DMF溶剂，浓度为10％)在电场力的作用下被拉伸形成纳米纤维，沉积在以50厘米/分钟速度向前牵引的抗静电纸上，纳米纤维直径为50nm～150nm，纳米纤维膜的孔径为50nm～1000nm，纳米纤维膜的面密度为1g/m2。
整个步骤1)的所得物称为带有抗静电纸的纳米纤维膜层。
2)、将纳米纤维膜层通过热粘合法将其复合到玻璃纤维网格布上，具体为：
在玻璃纤维网格布上设置步骤1)所得的带有抗静电纸的纳米纤维膜层，且使纳米纤维膜与玻璃纤维网格布相贴合；
热粘合参数如下：热粘合温度为80℃，热粘合压力为10MPa，热粘合时间为15s；
3)、上述步骤2)的热粘合工艺完成之后，移除抗静电纸，得到两层结构的窗纱，具体为：相互之间紧贴的玻璃纤维网格层和纳米纤维膜层。
性能检测(检测依据同实施例1)：
实施例3制备所得的窗纱的拉伸性能的检测结果为1450N/50mm，透光度的检测结果为75％，压降(空气阻力)的检测结果为15Pa，阻隔及吸附PM2.5及微小颗粒的检测结果为70％。
实施例4、
1)、同实施例2所述，制得三层结构窗纱。
2)、将三层结构的窗纱与另一层玻璃纤维网格布叠加，并在其间设置一定厚度(厚度为5mm～30mm)的框架，形成空气层，从而获得五层结构的窗纱；
具体为：在框架的一侧设置三层结构窗纱，且使三层结构窗纱中的热熔胶膜层与框架固定相连，可通过将窗纱层嵌入且紧固于框架的方式实现固定相连；
在框架的另一侧设置玻璃纤维网格布，该玻璃纤维网格层与框架固定相连可通过将窗纱层嵌入且紧固于框架的方式实现固定相连。
该五层结构的窗纱依次为玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、热熔胶膜层、空气层、玻璃纤维网格层。
性能检测(检测依据同实施例1)：
实施例4制备所得的窗纱透光度的检测结果为55％，压降(空气阻力)的检测结果为70Pa，阻隔及吸附PM2.5及微小颗粒的检测结果为96％。
实施例5、
1)、同实施例3所述，制得两层结构的窗纱。
2)、将两层结构的窗纱与另一层玻璃纤维网格布叠加，并在其间设置一定厚度(厚度为5mm～30mm)的框架，形成空气层，形成四层结构的窗纱；
具体为：在框架的一侧设置两层结构窗纱，且使两层结构窗纱中的纳米纤维膜层与框架固定相连，可通过将窗纱层嵌入且紧固于框架的方式实现固定相连；
在框架的另一侧设置玻璃纤维网格布，该玻璃纤维网格层与框架固定相连，可通过将窗纱层嵌入且紧固于框架的方式实现固定相连。
该四层结构的窗纱依次为：玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、空气层、玻璃纤维网格层。
性能检测(检测依据同实施例1)：
实施例5制备所得的窗纱透光度的检测结果为60％，压降(空气阻力)的检测结果为40Pa，阻隔及吸附PM2.5及微小颗粒的检测结果为75％。
对比实施例1～5，发现实施例2与实施例4均有优良的各种性能，PM2.5过滤效率可以达到90％及以上。与已所授权的实用新型专利(授权公告号为CN205000880)所述的纳米窗纱所公开的PM2.5过滤效率(83％)对比，PM2.5过滤效率得到了明显的提升。
对比例1、将实施例4所述的五层结构的窗纱依次为玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、热熔胶膜层、空气层、玻璃纤维网格层改成：依次为玻璃纤维网格层、热熔胶膜层、纳米纤维膜层、空气层、玻璃纤维网格层。
即，将热熔胶膜层、纳米纤维膜层空气层的位置作了互换，其余等同于实施例4。
该对比例1制备所得的窗纱透光度的检测结果为50％，压降(空气阻力)的检测结果为60Pa，阻隔及吸附PM2.5及微小颗粒的检测结果为83％。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱，其特征在于：所述窗纱包括玻璃纤维网格层和纳米纤维膜层。
2.根据权利要求1所述的低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱，其特征在于：所述窗纱还包括热熔胶膜层。
3.根据权利要求1所述的低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱，其特征在于：
所述窗纱为如下任意一种：
A、窗纱由如下五层组成：
依次排列的玻璃纤维网格层、热熔胶膜层、纳米纤维膜层、空气层、玻璃纤维网格层；
或者依次排列的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、热熔胶膜层、空气层、玻璃纤维网格层；
所述的空气层间距为5mm～30mm；
B、所述窗纱由如下四层组成：
依次排列的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、空气层、玻璃纤维网格层；
所述的空气层间距为5mm～30mm；
C、所述窗纱由如下三层组成：
所述窗纱由依次排列的玻璃纤维网格层、热熔胶膜层和纳米纤维膜层组成；
或者，所述窗纱由依次排列的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层和热熔胶膜层组成；
D、所述窗纱由如下二层组成：
所述窗纱由依次排列的玻璃纤维网格层和纳米纤维膜层组成。
4.根据权利要求3所述的低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱，其特征在于：
所述纳米纤维膜层中，纳米纤维的直径为50nm～400nm，纳米纤维膜层的孔径为50nm～1500nm；纳米纤维膜层的面密度为0.5g/m2～4g/m2；
所述热熔胶膜层的克重为6g/m2～16g/m2；
玻璃纤维网格层，玻璃纤维直径为0.3mm～2mm，网格边长为0.5cm～3cm。
5.如权利要求1～4任一所述的低压降的高效过滤PM2.5透明纳米窗纱的制备方法，其特征在于：
窗纱通过热粘合法制成复合结构，热粘合温度为75℃～130℃，压力为5Mpa～50Mpa，时间为10s～50s。
6.根据权利要求5所述的窗纱的制备方法，其特征在于：
窗纱通过热粘合法制作时，热熔胶膜层原始形态为膜或粉末。
7.根据权利要求5或6所述的窗纱的制备方法，其特征在于：
利用静电纺丝设备纺出纳米纤维，并将纳米纤维沉积在收集基材上，收集基材为抗静电纸、热熔胶膜；
利用热粘合方法将纳米纤维膜复合到玻璃纤维网格上。
8.根据权利要求5所述的窗纱的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)、将面密度为8g/m2热熔胶膜整齐均匀的固定在抗静电纸上，得附着有热熔胶膜的抗静电纸，作为收集纳米纤维的基材；
2)、复合层的制备：
浓度为10％的聚偏氟乙烯溶液在电场力的作用下被拉伸形成纳米纤维，沉积在以50厘米/分钟速度向前牵引的附着有热熔胶膜的抗静电纸上，纳米纤维直径为50nm～150nm，所形成的纳米纤维膜的孔径为50nm～1000nm，纳米纤维膜的面密度为1g/m2；
整个步骤2)的所得物称为复合层，该复合层中，纳米纤维膜层、热熔胶膜层和抗静电纸层依次紧贴；
3)、将步骤2)所得的复合层与玻璃纤维网格通过热粘合法复合，从而形成依次为相互之间紧贴的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、热熔胶膜层和抗静电纸层；
4)、上述步骤3)的热粘合工艺完成之后，移除抗静电纸，得到三层结构的窗纱，具体为：相互之间紧贴的玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层和热熔胶膜层。
9.根据权利要求8所述的窗纱的制备方法，其特征在于：
将上述三层结构的窗纱与另一层玻璃纤维网格布叠加，并在其间设置厚度为5mm～30mm的框架，形成空气层，从而获得五层结构的窗纱；
该五层结构的窗纱依次为玻璃纤维网格层、纳米纤维膜层、热熔胶膜层、空气层、玻璃纤维网格层。
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