CN108660530A - 一种复合纤维过滤材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种复合纤维过滤材料及其制备方法，属于过滤材料领域，所述复合纤维为皮芯型结构，通过溶液喷射纺丝制备得到，所述复合纤维的芯层纤维为第一种纤维，皮层纤维为第二种纤维，芯层纤维的直径为20‑160nm，皮层纤维的直径为100‑650nm，复合纤维的比表面积为200‑2000m2/g，所述第一种纤维和第二种纤维的种类不同。本申请采用的溶液喷射纺丝方法较传统的纺丝方法而言，生产成本更低，具有较高的生产效率，适宜连续化作业，且通过溶液喷射纺丝方法得到的复合纤维，对于烟尘具有良好的吸附和过滤作用，尤其对于PM10和PM2.5而言，具有较好的过滤、净化效果。

Description

一种复合纤维过滤材料及其制备方法
技术领域
本申请涉及过滤材料领域，具体涉及一种复合纤维过滤材料及其制备方法。
背景技术
随着工业化的发展，环境及空气的污染也进一步加剧，大气中直径≤10微米的可吸入颗粒物和直径≤2.5微米的可入肺颗粒物等这些颗粒物越来越多，而随着科学技术的发展，研究表明这些颗粒可附着细菌和病毒及重金属等，其对人类健康的危害已经被证实是极其严重的。特别是近年来大气中广泛存在的直径小于2.5微米的颗粒污染物(PM2.5)的危害已经引起世界范围的关注，其吸入体内后会直接进入支气管，引发包括哮喘、支气管炎、尘肺和心血管病等疾病。同时，电子、精密机械、冶金、宇航、核能、化工等工业以及医疗、制药、食品等行业的发展，对过滤材料的要求也越来越高，因此空气过滤材料在环境治理、工业生产以及日常生活中担任着日益重要的角色。
依据过滤理论，纤维直径尺寸的下降会提高过滤效率，当纤维的直径降到微纳米级(小于1000nm)时，其纤维网内体现出高比表面积和微小孔径的结构，这为高过滤效率和高性能提供了优势，因此纳米纤维的出现为空气过滤及净化提供了新的思路和方法，使高精度过滤得到实现。
目前，过滤材料多采用静电纺丝工艺制备而成，静电纺纳米纤维拥有高效过滤性能的优点，但同时也面临了一些问题和缺陷。首先，大多数工作仍需在实验室规模下的单针头纺丝设备上进行，其产量较低，进液速率一般为0.1-5ml／小时。其次，静电纺纳米纤维虽然具有高效过滤的显著特性，但同时研究表明静电纺纳米纤维膜结构较密实，在显著提高过滤效率时，伴随着压力降也会迅速增大，空气透过性减小，从而降低了产品的使用寿命，这在很大程度上限制了其作为高效过滤材料的广泛应用。
溶液喷纺技术是一种新型的制备微纳米纤维的方法，相较于传统的静电纺丝法，其无需电场环境，不需要高压设备或任何导电收集器，设备更加简单，可以更高的注射速度进行纺丝，易于操作，成本低廉，纺丝效率更高。聚合物的选择范围更加宽泛，不仅限于具有较高介电常数的聚合物，且采用的溶剂易于挥发且无毒性，更加绿色环保。其制备得到的微纳米纤维具有较广的商业价值，如应用于PM10、PM2.5的过滤、电学和光学器件等。
发明内容
为解决以上问题，本申请提出以下技术方案：
一种复合纤维过滤材料，所述复合纤维为皮芯型结构，通过溶液喷射纺丝制备得到，所述复合纤维的芯层纤维为第一种纤维，皮层纤维为第二种纤维，芯层纤维的直径为20-160nm，皮层纤维的直径为100-650nm，复合纤维的比表面积为200-2000m2/g，所述第一种纤维和第二种纤维的种类不同。
所述第一种纤维，其材料为：聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚环氧乙烷、聚乳酸、聚乙醇酸、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二丁酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸间苯二酯、聚间苯二甲酸对苯二酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚丙烯腈、聚丙烯腈-甲基丙烯酸酯共聚物、聚碳酸酯、聚芳酯、聚酯碳酸酯、尼龙、芳族聚酰胺、聚己酸内酯、胶原、聚羟基丁酸酯、聚乙酸乙烯酯、多肽、核酸、蛋白质中的至少一种。
所述第二种纤维，其材料为：聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚环氧乙烷、聚乳酸、聚乙醇酸、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二丁酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸间苯二酯、聚间苯二甲酸对苯二酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚丙烯腈、聚丙烯腈-甲基丙烯酸酯共聚物、聚碳酸酯、聚芳酯、聚酯碳酸酯、尼龙、芳族聚酰胺、聚己酸内酯、胶原、聚羟基丁酸酯、聚乙酸乙烯酯、多肽、核酸、蛋白质中的至少一种。
所述复合纤维的芯层纤维的直径为90-150nm，皮层纤维的直径为250-480nm，复合纤维的比表面积为300-700m2/g。
所述复合纤维的芯层纤维的直径为100-140nm，皮层纤维的直径为300-420nm，复合纤维的比表面积为500-600m2/g。
一种制备复合纤维过滤材料的方法，所述方法为一次性溶液喷射纺丝成型方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将干燥后的第一种纤维的材料和第二种纤维的材料分别溶解在溶剂中，配置成一定质量浓度的纺丝溶液A和纺丝溶液B；
（2）将纺丝溶液A和纺丝溶液B分别经计量泵，通过复合喷丝头喷出复合细流，所述的复合喷丝头为有针或无针、或者有针与无针复合的同轴喷丝头；
（3）将步骤（2）喷出的复合细流经高速气流牵伸，并在热作用下，干燥除去有机溶剂，得出初生纤维；
（4）将步骤（3）的得到的初生纤维经二次牵伸和热定型，得复合纤维过滤材料；或者将步骤（3）中的纤维未经牵伸和热定型处理，直接得复合纤维过滤材料。
所述纺丝溶液的质量分数为5-15%，对于溶液喷射纺丝而言，纺丝溶液的浓度对纤维成型有着重要的影响作用，溶液的聚合物浓度较高时，纺丝细流在后续的高速气流的牵伸中，有机溶剂的挥发较快，但是过高的聚合物浓度不利于纺丝溶液的喷射，因此，选用纺丝溶液的质量分数为5-15%为宜。
所述聚丙烯的分子量为10万-100万，所述聚乙烯的分子量为10万-100万。
所述溶液的溶剂采用甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、乙酸、苯、甲苯、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺吡啶、水、六氟异丙醇、三缩四乙二醇、三乙二醇、二苄醇、1，3-二氧杂戊环、1，4-二噁烷、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、甲基正己基酮、甲基正丙基酮、二异丙基酮、二异丁基酮、丙酮、六氟丙酮、甲酸、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、苯酚、苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、苯甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丙酯、氯甲烷、氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、邻氯甲苯、对氯甲苯、四氯化碳、1，1-二氯乙烷、1，2-二氯乙烷、三氯乙烷、二氯丙烷、二溴乙烷、二溴丙烷、溴甲烷、溴乙烷、溴丙烷、己烷、环己烷、环己酮、环戊烷、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、乙腈中的至少一种。
所述步骤（3）中气流牵伸的风压为0.05-0.12MPa。对复合纤维的纺丝过程的研究发现，当牵伸风压较小时，低于0.05MPa时，复合纤维表面部分黏连，并且有珠粒状析出，而当风压过大时，高于0.12MPa时，纤维之间缠结严重，且纤维与比表面积与风压的大小成正相相关，风压较大时，复合纤维的直径较细，且纤维的均匀度较好。
将复合纤维过滤材料可用于烟尘过滤领域的应用，尤其适用于PM10和PM2.5的过滤。
有益效果
本申请所采用的溶液喷射纺丝方法较传统的纺丝方法而言，生产成本更低，且具有较高得到生产效率，适宜连续化作业，且通过溶液喷射纺丝方法得到的皮芯型复合纤维的比表面积可达200-2000m2/g，对于烟尘具有良好的吸附和过滤作用，尤其对于PM10和PM2.5而言，实验结果表明，其对PM10和PM2.5的颗粒过滤效率可以达到95%以上，压阻保持在10-25MPa，具有较好的过滤、净化效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，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。
实施例一
一种制备复合纤维过滤材料的方法，所述方法为一次性溶液喷射纺丝成型方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将干燥后的聚丙烯树脂和聚乙烯树脂分别溶解在有机溶剂中，配置成一定质量浓度的纺丝溶液A和纺丝溶液B；
（2）将纺丝溶液A和纺丝溶液B分别经计量泵，通过复合喷丝头喷出复合细流；
（3）将步骤（2）喷出的复合细流经高速气流牵伸，并在热作用下，干燥除去有机溶剂，得出初生纤维；
（4）将步骤（3）的得到的初生纤维经二次牵伸和热定型，得复合纤维过滤材料。
纺丝溶液的质量分数为5%。
所述聚丙烯的分子量为70万，所述聚乙烯的分子量为80万。
有机溶剂采用N,N-二甲基甲酰胺。
步骤（3）中气流牵伸的风压为0.08MPa。
经测定，芯层纤维的直径为80.5nm，皮层纤维的直径为368nm，复合纤维的比表面积为241m2/g。将得到的复合纤维进行颗粒的过滤效率测定，得到的过滤效率值为95.322%。对应的压阻为22.0MPa。
实施例二
一种制备复合纤维过滤材料的方法，所述方法为一次性溶液喷射纺丝成型方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将干燥后的聚苯乙烯树脂和聚环氧乙烷树脂分别溶解在有机溶剂中，配置成一定质量浓度的纺丝溶液A和纺丝溶液B；
（2）将纺丝溶液A和纺丝溶液B分别经计量泵，通过复合喷丝头喷出复合细流；
（3）将步骤（2）喷出的复合细流经高速气流牵伸，并在热作用下，干燥除去有机溶剂，得出初生纤维；
（4）将步骤（3）的得到的初生纤维经二次牵伸和热定型，得复合纤维过滤材料。
纺丝溶液的质量分数为8%。
所述聚苯乙烯烯的分子量为100万，所述聚环氧乙烷的分子量为90万。
有机溶剂采用N-甲基甲酰胺。
步骤（3）中气流牵伸的风压为0.10MPa。
经测定，芯层纤维的直径为100.7nm，皮层纤维的直径为340nm，复合纤维的比表面积为416m2/g。将得到的复合纤维进行颗粒的过滤效率测定，得到的过滤效率值为96.149%。对应的压阻为21.3MPa。
实施例三
一种制备复合纤维过滤材料的方法，所述方法为一次性溶液喷射纺丝成型方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将干燥后的聚对苯二甲酸乙二酯树脂和聚乙烯树脂分别溶解在有机溶剂中，配置成一定质量浓度的纺丝溶液A和纺丝溶液B；
（2）将纺丝溶液A和纺丝溶液B分别经计量泵，通过复合喷丝头喷出复合细流；
（3）将步骤（2）喷出的复合细流经高速气流牵伸，并在热作用下，干燥除去有机溶剂，得复合纤维过滤材料。
纺丝溶液的质量分数为10%。
所述聚对苯二甲酸乙二酯的分子量为30万，所述聚乙烯的分子量为40万。
有机溶剂采用N,N-二甲基乙酰胺。
步骤（3）中气流牵伸的风压为0.11MPa。
经测定，芯层纤维的直径为64.3nm，皮层纤维的直径为270.4nm，复合纤维的比表面积为566m2/g。将得到的复合纤维进行颗粒的过滤效率测定，得到的过滤效率值为97.145%，对应的压阻为26.4MPa。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种复合纤维过滤材料，所述复合纤维为皮芯型结构，其特征在于，通过溶液喷射纺丝制备得到，所述复合纤维的芯层纤维为第一种纤维，皮层纤维为第二种纤维，芯层纤维的直径为20-160nm，皮层纤维的直径为100-650nm，复合纤维的比表面积为200-2000m2/g，所述第一种纤维和第二种纤维的种类不同。
2.根据权利要求1所述的复合纤维过滤材料，其特征在于，所述第一种纤维，其材料为：聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚环氧乙烷、聚乳酸、聚乙醇酸、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二丁酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸间苯二酯、聚间苯二甲酸对苯二酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚丙烯腈、聚丙烯腈-甲基丙烯酸酯共聚物、聚碳酸酯、聚芳酯、聚酯碳酸酯、尼龙、芳族聚酰胺、聚己酸内酯、胶原、聚羟基丁酸酯、聚乙酸乙烯酯、多肽、核酸、蛋白质中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的复合纤维过滤材料，其特征在于，所述第二种纤维，其材料为：聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚环氧乙烷、聚乳酸、聚乙醇酸、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二丁酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸间苯二酯、聚间苯二甲酸对苯二酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚丙烯腈、聚丙烯腈-甲基丙烯酸酯共聚物、聚碳酸酯、聚芳酯、聚酯碳酸酯、尼龙、芳族聚酰胺、聚己酸内酯、胶原、聚羟基丁酸酯、聚乙酸乙烯酯、多肽、核酸、蛋白质中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的复合纤维过滤材料，其特征在于，所述复合纤维的芯层纤维的直径为90-150nm，皮层纤维的直径为250-480nm，复合纤维的比表面积为300-700m2/g。
5.根据权利要求1所述的复合纤维过滤材料，其特征在于，所述复合纤维的芯层纤维的直径为100-140nm，皮层纤维的直径为300-420nm，复合纤维的比表面积为500-600m2/g。
6.一种制备权利要求1-5任一项所述的复合纤维过滤材料的方法，其特征在于，所述方法为一次性溶液喷射纺丝成型方法，所述方法包括如下步骤：
将干燥后的第一种纤维的材料和第二种纤维的材料分别溶解在溶剂中，配置成一定质量浓度的纺丝溶液A和纺丝溶液B；
（2）将纺丝溶液A和纺丝溶液B分别经计量泵，通过复合喷丝头喷出复合细流，所述的复合喷丝头为有针或无针、或者有针与无针复合的同轴喷丝头；
（3）将步骤（2）喷出的复合细流经高速气流牵伸，并在热作用下，干燥除去有机溶剂，得出初生纤维；
（4）将步骤（3）的得到的初生纤维经二次牵伸和热定型，得复合纤维过滤材料；或者将步骤（3）中的纤维未经牵伸和热定型处理，直接得复合纤维过滤材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝溶液的质量分数为5-15%，所述聚丙烯的分子量为10万-100万，所述聚乙烯的分子量为10万-100万。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述溶液的溶剂采用甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、乙酸、苯、甲苯、四氢呋喃、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺吡啶、水、六氟异丙醇、三缩四乙二醇、三乙二醇、二苄醇、1，3-二氧杂戊环、1，4-二噁烷、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、甲基正己基酮、甲基正丙基酮、二异丙基酮、二异丁基酮、丙酮、六氟丙酮、甲酸、甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、苯酚、苯甲酸甲酯、苯甲酸乙酯、苯甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙酯、邻苯二甲酸二丙酯、氯甲烷、氯乙烷、二氯甲烷、三氯甲烷、邻氯甲苯、对氯甲苯、四氯化碳、1，1-二氯乙烷、1，2-二氯乙烷、三氯乙烷、二氯丙烷、二溴乙烷、二溴丙烷、溴甲烷、溴乙烷、溴丙烷、己烷、环己烷、环己酮、环戊烷、邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、乙腈中的至少一种。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中气流牵伸的风压为0.05-0.12MPa。
10.一种将权利要求1-3任一项所述的复合纤维过滤材料或权利要求4-8任一项制备方法得到的复合纤维用于烟尘过滤领域的应用，复合纤维过滤材料适用于PM10、PM2.5的过滤。
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