CN108744772A - 一种防雾霾透光隐形纱网及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及过滤材料领域，提供了一种防雾霾透光隐形纱网，包括纱网和负载在所述纱网表面的纳米纤维层，所述纳米纤维层由纳米纤维纺丝液经静电辅助喷射纺丝负载在纱网表面。本发明提供的防雾霾透光隐形纱网同时具备高透光率、良好通风性和高效过滤性能，不仅实现了对PM2.5和PM10的高效过滤，同时保证了纱网的透光性和通风性能，是一种集空气过滤，透光，通风为一体的隐形纱网。

Description

一种防雾霾透光隐形纱网及其制备方法
技术领域
本发明涉及过滤材料领域，尤其涉及一种防雾霾透光隐形纱网及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展环境日渐污染严重，据全球疾病调查指数显示，仅2010年，全球由于雾霾引发的死亡人数高达三百三十万，如果不加以遏制，这一数字将会在2050年翻倍。以北京为例，2014年中有193天，户外的雾霾浓度超过我国国家标准(75μg/m3)，居民被迫紧闭门窗减少雾霾危害，然而紧闭门窗导致居民室内的平均换气率由2.34h-1下降到0.27～0.35h-1，远低于我国国家标准。目前针对雾霾过滤常采用的手段为口罩和空气净化器，口罩常用于户外活动，室内的雾霾防护主要依赖于空气净化器，然而其存在价格高昂，能源消耗大的弊端，所以开发具有雾霾过滤功能的纱窗充分非常必要，可以同时满足过滤雾霾和室内换气的需要。
市面上常见的具有雾霾过滤功能的材料多停留在减少纱线直径，提高织物密度，或是增加材料厚度的角度，以牺牲材料透光性能为代价实现雾霾过滤效果，远不能满足作为空气过滤纱网材料使用时对于透光性和过滤效果的双重要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防雾霾透光隐形纱网及其制备方法，本发明提供的防雾霾透光隐形纱网同时具备高透光率、良好通风性和高效过滤性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种防雾霾透光隐形纱网，包括纱网和负载在所述纱网表面的纳米纤维层，所述纳米纤维层由纳米纤维纺丝液经静电辅助喷射纺丝负载在纱网表面。
优选的，所述纱网的材质包括化纤、不锈钢或玻纤。
优选的，所述纳米纤维层的孔径为0.1～10μm，所述纳米纤维层中纳米纤维的直径为50～1000nm。
优选的，所述纱网表面的纳米纤维负载率为0.2～5.0g/m2。
优选的，所述纳米纤维层中的纳米纤维由高分子聚合物构成；所述高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯和/或聚甲基丙烯酸甲酯。
本发明还提供了上述防雾霾透光隐形纱网的制备方法，包括如下步骤：
将高分子聚合物溶于极性有机溶剂中，得到纳米纤维纺丝液；
以纱网为接收网，将所述纳米纤维纺丝液进行静电辅助喷射纺丝，得到防雾霾透光隐形纱网。
优选的，所述纺丝液中高分子聚合物的质量分数为3～20％。
优选的，所述极性有机溶剂为三氟乙酸和/或六氟异丙醇。
优选的，所述静电辅助喷射纺丝的进液速率为150～300ml/h；
所述静电辅助喷射纺丝的牵伸风压为1.5～5.0bar，风温为40～100℃；
所述静电辅助喷射纺丝的纺丝箱体的温度为30～50℃，湿度为3～30％。
优选的，所述静电辅助喷射纺丝的辅助电压为0～25KV。
本发明提供了一种防雾霾透光隐形纱网，包括纱网和负载在纱网表面的纳米纤维层，所述纳米纤维层通过静电辅助喷射纺丝的方式负载在纱网表面；本发明通过静电辅助喷射纺丝法使纳米纤维兼具溶液喷射纺丝特有的卷曲形貌及静电纺丝纤维的取向顺直结构，当空气流通至纱网表面时，细小颗粒会被卷曲结构阻隔在外，空气气体则会在纳米纤维的表面发生滑移效应，穿过纱网，进而提高纱网的通风效果；本发明利用静电辅助喷射纺丝法得到的纳米纤维直径较小，负载在纱网表面时形成的纳米纤维层孔径小，孔隙率高，能够实现良好的透光性和通风性；而且通过静电辅助喷射纺丝负载的纳米纤维之间的孔隙分布均匀，纳米纤维的比表面积较大，静电吸附作用强，对PM2.5和PM10具有高效的吸附阻隔作用，能够显著提高纱网的过滤性能。
实验结果表明，本发明提供的防雾霾透光隐形纱网的可见光透过率在70％～99％，PM2.5的过滤效率达到60～100％，PM10的过滤效率达到85～100％。一方面实现了对PM2.5和PM10的高效过滤，另一方面保证了纱网较高的透光性和良好通风性，是一种集空气过滤，透光，通风为一体的隐形纳米纱网。
本发明还提供了上述防雾霾透光隐形纱网的制备方法，本发明以纺丝液为原料经静电辅助喷射纺丝在纱网上进行纺丝，能够在纱网上形成均匀连续的纳米纤维层，其孔隙在0.1～10μm，纳米纤维层中的纳米纤维分布均匀，具有特定的卷曲和取向顺直形貌，直径在50～1000nm之间，具有较大的比表面积。
附图说明
图1为实施例1制备的防雾霾透光隐形纱网的局部结构图；
图2为实施例1所得防雾霾透光隐形纱网负载的纳米纤维在不同辅助电压下的电镜示意图；
图3为实施例2所得防雾霾透光隐形纱网负载的纳米纤维在不同辅助电压下的电镜示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种防雾霾透光隐形纱网，包括纱网和负载在纱网表面的纳米纤维层，所述纳米纤维层由纳米纤维纺丝液经静电辅助喷射纺丝的方式负载在纱网表面。
在本发明中，所述纱网的厚度优选为0.1～1mm，更优选为0.4～0.8mm。在本发明中，所述纱网的网孔优选为5～80目，更优选为20～50目。本发明中纱网的网孔大小决定着纳米纤维层的负载结构、孔径和孔隙率的大小，不宜过大，也不宜过小。
本发明对于所述纱网的材质没有特殊要求，采用本领域中常规材质的纱网即可，在本发明中所述纱网的材质优选包括化纤、不锈钢或玻纤(玻璃纤维)。
在本发明中，所述纳米纤维层中纳米纤维的直径优选为50～1000nm，更优选为100～600nm，最优选为150～300nm；所述纳米纤维层的孔径优选为0.1～10μm，更优选为0.5～8μm。本发明中纳米纤维的直径较小，比表面积较大，静电吸附作用强，对PM2.5和PM10具有高效的过滤效应；而且纳米纤维直径越小，负载形成的纳米纤维层的孔径就小，但孔隙率较高，孔径小能够起到阻隔PM2.5和PM10的作用，孔隙率高能够提高纱网的透光率和通风性能，进而使得纱网能够同时满足高透光性、高效过滤性能和通风性能的三重需求。
在本发明中，所述纱网表面的纳米纤维负载率为0.2～5.0g/m2，更优选为1～3g/m2。本发明中的纳米纤维负载在纱网表面能够形成层网结构，本发明中纳米纤维的负载率较低，使得本发明的纱网在达到与市售纱网相当的透光和通风效果时大幅度降低材料的用量，具有成本低的优势。
在本发明中，所述纳米纤维层中的纳米纤维由高分子聚合物构成；所述高分子聚合物优选包括聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)和/或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。本发明选用可降解的非晶材料PETG和PMMA，经静电辅助纺丝形成纳米纤维层时，具有较高的透明性，能够增加纤维层的透光率，提高纱网的透光性能。
在本发明中，所述纳米纤维层由纳米纤维纺丝液经静电辅助喷射纺丝的方式负载在纱网表面，静电辅助喷射纺丝得到的纳米纤维直径小、比表面积大；而且能够使得纳米纤维兼具溶液喷射纺特有的卷曲形貌和取向顺直结构，当空气流通至纱网表面时，空气中的PM2.5和PM10颗粒会被卷曲结构的附着层阻挡，实现过滤效果；而空气气体则在纳米纤维的表面发生滑移效应，穿过纱网，实现良好的通风效果。
本发明还提供了上述防雾霾透光隐形纱网的制备方法，包括如下步骤：
1)将高分子聚合物溶于极性有机溶剂中，得到纳米纤维纺丝液；
2)以纱网为接收网，将所述纺丝液进行静电辅助喷射纺丝，得到防雾霾透光隐形纱网。
本发明将高分子聚合物溶于极性有机溶剂中，得到纳米纤维纺丝液；在本发明中，所述高分子聚合物优选包括聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯(PETG)和/或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；所述极性有机溶剂优选为三氟乙酸和/或六氟异丙醇；所述纺丝液中高分子聚合物的质量分数优选为3～20％，更优选为5～15％。本发明对于高分子聚合物和极性有机溶剂的来源没有特殊要求，采用市售产品即可；本发明对于所述高分子聚合物的聚合度没有特殊限定，使用本领域中常规聚合度的高分子聚合物即可。
本发明对于高分子聚合物溶于极性有机溶剂的操作过程没有特殊要求，采用本领域常规的溶解方法即可，以能够得到均匀纺丝液为最终目的；在本发明具体实施过程中，优选在室温或40～60℃的温度条件下边搅拌边进行溶解；更优选的，在50℃的温度下进行溶解。在本发明中，50℃条件下的溶解速率最快，所得纺丝液最均匀。
得到纳米纤维纺丝液后，本发明以纱网为接收网，将所述纺丝液进行静电辅助喷射纺丝，得到防雾霾透光隐形纱网。
本发明在以纱网为接收网时，优选将纱网置于接收网帘中。在本发明中，所述接收网帘优选包括金属网帘和位于金属网帘上层的非织造骨架基布；所述金属网帘的孔径大小优选为10～20目；所述金属网帘能够良好接地，所述非织造骨架基布的克重优选为20～120g/m2。
设置完接收网帘后，本发明优选纺丝头稳定后，保持接收网帘固定不动，由收料电机带动纱网连续走网，进行静电辅助喷射纺丝，形成连续成卷的防雾霾透光隐形纱网。本发明对于所述走网速率没有特殊限定，以收料电机的频率为调节对象，依据进液速率进行适应性调整即可。
在本发明中，所述静电辅助喷射纺丝的进液速率优选为150～300ml/h，更优选为200～250ml/h；所述静电辅助喷射纺丝的温度优选为30～80℃，更优选为40～60℃。
在本发明中，所述静电辅助喷射纺丝的时间优选为1～24h，更优选为5～12h。在本发明中，进液速率和纺丝时间影响着负载率的大小，进而影响防雾霾透光隐形纱网的性能。
在本发明中，所述静电辅助喷射纺丝的牵伸风压为1.5～5.0bar，更优选为3.0～4.5bar；所述牵伸风温优选为40～100℃，更优选为60～80℃。
在本发明中，所述静电辅助喷射纺丝的纺丝箱体的温度为30～50℃，更优选为35～45℃；所述纺丝箱体的湿度优选为3％～30％，更优选为5～20％。
在本发明中，所述静电辅助喷射纺丝的辅助电压优选为0～25kv，更优选为10～15kv。本发明通过改变辅助电压的大小，可以改变纤维的卷曲程度，进而改善其通风效果，提高纱网的透光性。
本发明对于静电辅助喷射纺丝的过程没有特殊限定，采用本领域常规的静电辅助喷射纺丝方法即可；在本发明具体实施过程中，所述静电辅助喷射纺丝具体包括如下步骤：
依次打开牵伸风机、高压辅助电源，向下吸风风机，再打开箱体加热管，在箱体流动的空气氛围中将纺丝液通过计量泵送至纺丝头，进行纺丝。在本发明中，纺丝液在牵伸风机的驱动下会形成纳米纤维，纳米纤维在静电场的作用下相互分丝，均匀负载在接收网帘上的纱网上。
在本发明中，所述箱体加热管的温度优选为60～120℃，更优选为70～100℃。
在本发明中，所述向下吸风风机的风压优选为4～10MPa，更优选为5～8MPa。
下面结合实施例对本发明提供的防雾霾透光隐形纱网及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将PETG(东兴塑化公司生产)以14％的质量分数溶于三氟乙酸溶剂中，在室温条件下搅拌溶解，得到均匀的纺丝液。
将化纤纱网置于接收网帘中作为接收网，将纺丝头清理干净，调节牵伸风压为4.02bar，牵伸风温为70℃，下吸风风压为4480Pa；纺丝箱体加热管温度调节为80℃，运行30分钟后，保证箱体温度达到35℃，箱体湿度降到8％；
打开计量泵加热套管，控制计量泵温度为40℃，使纺丝液以229.08ml/h的进液速度进入纺丝头，打开高压辅助电源，调节电压为0～25kv，纺丝液在牵伸风的驱动下形成纳米纤维，纳米纤维在静电场的作用下相互分丝，均匀负载在接收网帘中的纱网上，打开接收网帘电机，使纱网向前匀速运动3h，形成连续长卷的透光隐形透明纱网。
图1为本发明实施例1制备的防雾霾透光隐形纱网的产品局部图，图2为不同辅助电压条件下纱网上负载的纳米纤维扫描电镜图，其中图2a)无施加电压，图2b)5kV，图2c)10kV，图2d)15kV，图2e)20kV，图2f)25k。由图2分析可知，本发明制备的纱网中纳米纤维层之间的空隙分布相对均匀，孔径大小在1～6μm之间，纳米纤维直径在200～600nm之间，纳米纤维的比表面积较大，静电吸附的作用强，对PM2.5和PM10具有高效的过滤效果。
实施例2
将PMMA以质量分数8％的比例溶于六氟异丙醇溶剂中，在50℃下加热搅拌溶解，得到均匀的纺丝液，备用。
将不锈钢纱网置于接收网帘中作为接收网，将纺丝头清理干净，调节牵伸风风压为4.2bar，牵伸风温度为65℃，下吸风风压为4480Pa；纺丝箱体加热管温度调节为75℃，运行30分钟后，保证箱体温度达到33℃，箱体湿度降到10％。
打开计量泵加热套管，控制计量泵温度为40℃，使纺丝液以207ml/h的进液速度进入纺丝头，打开高压辅助电源，调节电压为0～25kv，纺丝液在牵伸风的驱动下形成纳米纤维，纳米纤维在静电场的作用下相互分丝，均匀负载在接收网帘上的纱网上，打开收网电机，使纱网向前匀速运动5h，形成连续长卷的透光隐形透明纱网。
图3为本发明实施例2不同辅助电压下纱网负载的纳米纤维的扫描电镜图，其中图3a)无施加电压，图3b)5kV，图3c)10kV，图3d)15kV，图3e)20kV，图3f)25k。由图3分析可知：本发明制备的纱网表面负载的纳米纤维之间的空隙分布大小均匀，孔径大小在0.2～8μm之间，纳米纤维的直径在300～1000nm之间，且纤维层几乎只有薄薄的一层，透光性和通风性好，而且通过辅助电压大小可以调节纤维卷曲形态，提高通风及过滤效果，对PM2.5和PM10具有有效的过滤效应。
实施例3
将PETG(东兴塑化公司生产)以20％的质量分数溶于六氟异丙醇溶剂中，在40℃下搅拌溶解，得到均匀的纺丝液。
将玻纤纱网置于接收网帘中作为接收网，将纺丝头清理干净，调节牵伸风风压为1.5bar，牵伸风温度为100℃，下吸风风压为5MPa；纺丝箱体加热管温度调节为60℃，运行30分钟后，保证箱体温度达到30℃，箱体湿度降到30％。
打开计量泵加热套管，控制计量泵温度为30℃，使纺丝液以300ml/h的进液速度进入纺丝头，打开高压辅助电源，调节电压为25kv，纺丝液在牵伸风的驱动下形成纳米纤维，纳米纤维在静电场的作用下相互分丝，均匀负载在接收网帘中的纱网上，打开收网电机，使纱网向前匀速运动12h，形成连续长卷的透光隐形透明纱网。
实施例4
将PMMA以质量分数3％的比例溶于三氟乙酸溶剂中，在室温下加热搅拌溶解，得到均匀的纺丝液，备用。
将纱网置于接收网帘中作为接收网，将纺丝头清理干净，调节牵伸风风压为5.0bar，牵伸风温度为40℃，下吸风风压为10MPa；纺丝箱体加热管温度调节为120℃，运行30分钟后，保证箱体温度达到50℃，箱体湿度降到3％。
打开计量泵加热套管，控制计量泵温度为80℃，使纺丝液以150ml/h的进液速度进入纺丝头，打开高压辅助电源，调节电压为15kv，纺丝液在牵伸风的驱动下形成纳米纤维，纳米纤维在静电场的作用下相互分丝，均匀负载在接收网帘上的纱网上，打开收网电机，使纱网向前匀速运动24h，形成连续长卷的透光隐形透明纱网。
对比例
选取市场上常见的防雾霾透光隐形纱网作为对照，其中，市售产品1为波蒂歌防雾霾纱窗，市售产品2为Puredesign HVA加厚静电空气雾霾过滤纱网，市售产品3为Puredesign防雾霾纱窗，市售产品4为尘霾之星纳米纱窗。
对本发明实施例1和2以及对比例中的防雾霾透光隐形纱网进行透光性、压降以及过滤性能测试，实验结果如表1所示；
其中，透光性测试采用的仪器为带有积分球的岛津UV3600型紫外可见光分光光度计，压降测试采用的仪器为微型差压计，过滤测试采用的仪器是诺方微SDL307激光检测仪。
表1为实施例以及对比例中防雾霾纱网的性能测试
实施例1a～实施例1f和实施例2a～2f分别为实施例1和2依据静电辅助喷射纺丝的辅助电压的不同设置的平行试验；其中，实施例1a为无辅助电压的方案，实施例1b为辅助电压5kV的方案，实施例1c为辅助电压10kV的方案，实施例1d为辅助电压为15kV的方案，实施例1e为辅助电压20kV的方案，实施例1f为辅助电压为25kV的方案；
实施例2a为无辅助电压的方案，实施例2b为辅助电压5kV的方案，实施例2c为辅助电压10kV的方案，实施例2d为辅助电压为15kV的方案，实施例2e为辅助电压20kV的方案，实施例2f为辅助电压为25kV的方案。
通过表1中数据分析可知，本发明实施例1和实施例2制备得到的防雾霾透光隐形纱网的透光率在70～99％，压降在19～68Pa，PM2.5的过滤效率达到60～100％，PM10的过滤效率达到85～100％，相较于传统的市售防雾霾纱窗的透光性能和过滤效果均得到显著提高。

Claims (10)

1.一种防雾霾透光隐形纱网，包括纱网和负载在所述纱网表面的纳米纤维层，所述纳米纤维层由纳米纤维纺丝液经静电辅助喷射纺丝负载在纱网表面。
2.根据权利要求1所述的防雾霾透光隐形纱网，其特征在于，所述纱网的材质包括化纤、不锈钢或玻纤。
3.根据权利要求1所述的防雾霾透光隐形纱网，其特征在于，所述纳米纤维层的孔径为0.1～10μm，所述纳米纤维层中纳米纤维的直径为50～1000nm。
4.根据权利要求1或3所述的防雾霾透光隐形纱网，其特征在于，所述纱网表面的纳米纤维负载率为0.2～5.0g/m2。
5.根据权利要求1所述的防雾霾透光隐形纱网，其特征在于，所述纳米纤维层中的纳米纤维由高分子聚合物构成；所述高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯和/或聚甲基丙烯酸甲酯。
6.权利要求1～5任意一项所述防雾霾透光隐形纱网的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将高分子聚合物溶于极性有机溶剂中，得到纳米纤维纺丝液；
2)以纱网为接收网，将所述纳米纤维纺丝液进行静电辅助喷射纺丝，得到防雾霾透光隐形纱网。
7.根据权利要求6所述的防雾霾透光隐形纱网的制备方法，其特征在于，所述纺丝液中高分子聚合物的质量分数为3～20％。
8.根据权利要求6所述的防雾霾透光隐形纱网的制备方法，其特征在于，所述极性有机溶剂为三氟乙酸和/或六氟异丙醇。
9.根据权利要求6～8任意一项所述的防雾霾透光隐形纱网的制备方法，其特征在于，所述静电辅助喷射纺丝的进液速率为150～300ml/h；
所述静电辅助喷射纺丝的牵伸风压为1.5～5.0bar，风温为40～100℃；
所述静电辅助喷射纺丝的纺丝箱体的温度为30～50℃，湿度为3～30％。
10.根据权利要求6～8任意一项所述的防雾霾透光隐形纱网的制备方法，其特征在于，所述静电辅助喷射纺丝的辅助电压为0～25KV。
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