CN108796823A - 高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料及其制备方法 - Google Patents

高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料及其制备方法；纳米精细过滤层、微米支撑初级过滤层和保护面层；微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层交互叠加，设置在两层保护面层之间；纳米精细过滤层具有网格结构，由平面基体纤维层和锥体结构组成，其中锥体结构的尖端与网格基体纤维层间的纤维形成沿尖端和平面基体纤维层的取向结构；本发明未加电过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9‑99.999％，其压力降为130‑300Pa；加电处理的过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9‑99.999％，其压力降为30‑250Pa。

Description

高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及空气过滤领域，具体涉及一种具有良好过滤效果的梯度复合结构过滤介质材料及其制备工艺。
背景技术
空气是人类赖以生存的必要条件，由于生产和人类各种活动的影响，特别是工业废气的大量任意排放，空气中含有过量的粉尘及有害气体而遭到不同程度的污染。这几年来，PM2.5引起了社会的广泛关注，粉尘对呼吸道和眼睛等器官会造成很大危害。根据“绿色GDP核算报告”，仅北京一个城市，每年因环境污染造成的损失就高达116亿多元，其中大气污染对北京市造成的经济损失最严重，高达95.2亿元，占总污染造成损失的81.75％，由此可看出，环境污染对经济和社会的影响非常大，特别是大气污染更应值得关注。
目前市场上的纤维空气过滤材料主要有玻璃纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、活性炭纤维等，但该类纤维空气过滤材料大部分是直通结构，仅对0.3μm以上的颗粒有较高的过滤效率，对亚微米颗粒以及较小粒子难以实现有效过滤。对于传统空气过滤材料，其使用周期短过滤阻力大，已无法完全满足人们对高效过滤材料的要求。
随着纳米科技的发展，纳米材料由于具有独特且优异的性能越来越广泛地代替了传统材料，在分离、传感器及生物医学等领域应用。材料的微纳米多级结构赋予了其新颖的性质和特殊功能。与传统无纺布纤维相比，具有微纳米多级结构的静电纺纤维材料，不仅具有纤维直径和膜孔径小、孔隙率高，而且因为多级结构的引入，大幅度提高了纤维的比表面积和孔体积，增强了纤维膜的吸附和容尘体积，有效的提高材料的过滤效率。以静电纺纳米纤维膜为夹层的复合结构过滤材料，更适合过滤细小微粒，将纳米纤维和梯度结构结合更有利于延长滤材的使用寿命。
中国专利CN 103264533 A，公开了一种陶瓷-金属间化合物梯度过滤管及其制备方法和用途，发明的过滤管以Ni粉、Al粉、Ti粉、B4C粉、SiC粉和TiH2为原料，通过反应合成内层为耐磨耐腐蚀性能好的多孔TiC+TiB2陶瓷，孔内布满长度10μm的TiB+Ti3B4晶须，最外层为强度高、耐蚀性能好的多孔NiAl+Ni3Al金属间化合物层，由内到外陶瓷组分逐渐减少，金属间化合物组分逐渐增多，从而形成了梯度结构克服现有滤材过滤阻力大、过滤效率低、不易冲洗等缺点，但是该陶瓷-金属间化合物梯度过滤管成本较高，工艺较复杂，不利于技术的推广和工业化。中国发明专利申请CN 103446804 A公开了一种具有梯度结构的碳纳米管空气过滤材料及其制备方法，该碳纳米空气过滤材料通过在纤维表面生长不同含量的碳纳米管，形成梯度结构使其具有过滤效率高，过滤阻力低等特点，但是碳纳米管在溶液中易出现团聚现象，从而降低滤材的孔隙率，且在使用过程中纳米颗粒会发生脱落，对人们健康造成威胁。
发明内容
本发明的首要目的是为了改善现有过滤材料在满足空气的高过滤效率的情况下，阻力较大和滤材的使用周期短的不足，提供一种成本低，具有优秀过滤效果，且具有三维立体结构的可降低过滤阻力，延长滤材使用寿命的高效低阻过滤介质材料。
本发明另一目的是提供一种用于空气过滤的高效低阻过滤介质材料的制备方法。
同现有技术的复合梯度结构过滤材料相比，本发明复合梯度结构过滤介质材料制备工艺简单，本发明纺丝条件下不存在影响纤维均匀性因素，高效低阻，具有卷曲结构的微米纤维层和包含锥形尖锥堆积结构的纳米纤维层组合形成的具有3D立体结构的微纳米过滤层，增加了纤维与气流间惯性碰撞机会，导致颗粒被过滤组分拦截的机率增加。同时由于微米纤维方向与气流方向成一定的角度，减小了滤材直接拦截的阻力，立体结构提供的孔隙结构，改变气流的流动方向，更为蓬松的微米级纤维过滤层结构可容纳更多被过滤的颗粒，从而大大降低了滤材的过滤阻力。
本发明目的通过如下技术方案实现：
高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料，包括纳米精细过滤层A、微米支撑初级过滤层B和保护面层C；微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层交互叠加，设置在两层保护面层之间；
所述纳米精细过滤层由平面基体纤维层D和锥体结构E组成，其中锥体结构E的尖端与网格基体纤维层D间的纤维形成沿尖端向平面基体纤维层D的取向结构，锥体结构E的锥角为10～70°，锥体尖端的间距为2～20mm；多个锥体结构E在平面基体纤维层D均布形成网格状结构；
所述的微米支撑初级过滤层B由具有卷曲结构的微米纤维层组成；所述纳米精细过滤层具有网格状结构；
所述的纳米精细过滤层表面带电或不带电；微米支撑过滤层带电或不带电。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述纳米精细过滤层中纳米纤维的直径为10～1000nm，克重为0.5～20g/m2；所述微米支撑初级过滤层的纤维材料的直径为1～100μm，克重为10～200g/m2。
优选地，所述微米支撑初级过滤层的纤维材料通过针刺、水刺、纺粘、熔喷或缝编获得的无纺布结构。
优选地，所述微米纤维层的纤维与水平面呈10-50°角，所述微米纤维层的纤维具有Z型、S型、螺旋或波浪卷曲结构；所述微米纤维层的纤维为短纤维时，自身具有卷曲结构；所述微米纤维层的纤维为长丝时，通过复合纺丝工艺获得卷曲结构；所述复合纺丝工艺所获得的复合纤维包括皮芯、偏芯或并列型结构。
优选地，所述微米支撑初级过滤层的材质包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚氨酯弹性纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇缩醛纤维、聚乳酸纤维、醋酯纤维、纤维素纤维、聚己内酯纤维、皮芯结构纤维、天然纤维或无机纤维；
所述皮芯结构纤维包括PP/PE、PET/PE、PA/PE、PET/PA、PET/coPET纤维，其中PE、PA或coPET为皮层；
所述天然纤维包括棉、木棉、黄麻、大麻、苎麻、罗布麻、椰壳纤维、菠萝纤维、竹原纤维或秸秆纤维；
所述无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维或玄武岩纤维。
优选地，所述保护面层的材质包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维或纤维素再生纤维。
优选地，所述保护面层为通过纺粘、热轧或热风成型得到的无纺布材料，克重为10～80g/m2。
优选地，当压力降为130-300Pa，未加电的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9-99.999％；当压力降为30-250Pa，加电处理的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9-99.999％，实现高效空气过滤。
所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将高分子聚合物与溶剂混合，配制成质量分数为5～40％的高分子溶液，静置脱泡；
2)将所得高分子溶液采用针头静电纺丝、离心纺丝、无针头自由表面静电纺丝、离心静电纺丝或熔喷静电纺丝成型加工，以模板作为接收器，制备得到具有网格结构的表面带电或不带电的纳米精细过滤层；或将高分子溶液采用冷冻干燥相分离、离心纺丝、针头静电纺丝、无针头自由表面静电纺丝、离心静电纺丝或熔喷静电纺丝技术成型加工，以模板作为接收器，后经过正己醇处理，制备得到具有网格结构不带电的纳米精细过滤层；
3)微米支撑初级过滤层通过电晕放电、摩擦起电、热极化法或低能电子束轰击法的静电驻极工艺处理，得到带电的微米支撑初级过滤层；
4)高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料的最外两层为保护面层，微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层依次交互叠加；保护面层、微米支撑初级过滤层、纳米精细过滤层和保护面层采用热风粘合技术复合，热风复合温度为150-250℃。
优选地，所述模板的材质包括塑料、陶瓷、不锈钢、铜、铝、云母片或硅晶片；所述模板包括底部板材和锥体结构阵列，多个锥体结构均布在底部板材上，形成锥体结构阵列，锥体结构的底部为正多边形或者圆形，锥体结构的直径或边长为0.01～5mm，锥体结构分布密度为10～100个/cm2，锥体结构的高度为0.001～1.0mm；底板上分布一定密度的椎体，形成网格结构；
所述高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚己内酯(PCL)、聚丙烯腈(PAN)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氯乙烯(PVDC)、乙烯-丙烯共聚物(EPDM)、聚醋酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯弹性体(EEA)、聚酰胺(PA)和共聚聚酰胺(coPA)中的一种或多种；
表面不带电的纳米精细过滤层可通过电晕放电、摩擦起电、热极化法或低能电子束轰击法得到表面带电的纳米精细过滤层。
本发明微米支撑初级过滤层由具有卷曲结构的微米纤维层组成，纳米精细过滤层由具有锥形尖锥堆积结构的纳米纤维层组成，过滤介质材料具有3D尺度梯度结构，但该尺度梯度不存在明显的分层梯度，存在部分的重叠。
优选的，具有网格结构的模板的材质包括塑料、陶瓷、不锈钢、铜、铝、云母片和硅晶片中的一种。包括底部板材和锥体结构的模板以稳定的等间距的多边形结构或者圆形结构存在，锥体结构的直径或边长为0.01～5mm，锥体结构分布密度为10～100个/cm2，锥体结构的高度为0.001～1.0mm。
过滤介质材料复合，其工艺特点为采用热风粘合技术将无纺布保护面层、微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层复合在一起，热风复合温度为150-250℃，制得具有局部取向3D立体结构的复合过滤材料。
其中所述的过滤介质材料的最外上、下两层为保护面层，复合介质材料的过滤层由微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层依次交互叠加组成。
所述的具有局部取向3D立体结构包括z型、S型、螺旋形、波浪形的卷曲结构中的一种，对于短纤维原料其自身具有卷曲结构，对于长丝则是通过复合纺丝工艺的调整获得卷曲结构，复合纺丝法所获得的复合纤维包括皮芯、偏芯或并列型结构。
微米支撑初级过滤层可通过电晕放电、摩擦起电、热极化法或低能电子束轰击法等静电驻极工艺处理，得到带电的微米支撑初级过滤层。
本发明制得具有局部取向3D立体结构的复合过滤材料，其中纳米尺寸精细过滤层中纤维具有一定的二维或者三维的取向度，微米尺寸级别材料制备成支撑初级过滤层的纤维具有3D的网络结构，且具有一定的蓬松度。
质量中值直径(Median particle diameter)又称质量中值空气动力学直径。颗粒物中小于某一空气动力[学]直径的各种粒度颗粒的总质量，占全部颗粒物质量(即全部不同粒度颗粒质量的总和)的50％时，则此直径称为质量中值直径。也即是具有这一中值直径的颗粒物有一半其粒径小于这个直径，有一半则大于这个直径。如果没有具体分布情况也难以界定NaCl气溶胶粒径情况。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明所述的具有复合梯度结构的微纳米过滤介质材料，制备工艺简单，具有均匀的锥形尖锥堆积结构，微纳米纤维层形成了局部取向的3D立体结构，这种由纳米、微米构成的局部取向、多级，且含过渡结构的过滤材料，能够降低过滤阻力，延长滤材的使用寿命；且空气通过微米纤维层初级过滤，纳米纤维层精细过滤，达到了高过滤效果，无纺布面层提供芯层滤材的支撑保护，提高其力学性能。该未加电复合材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9-99.999％，压力降为130-300Pa，加电处理复合材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9-99.999％，压力降为30-250Pa，能够有效实现空气过滤的目的。
附图说明
图1是本发明具有梯度结构的高效低阻复合结构过滤介质材料的结构示意图。
图2为图1中具有网格结构的纳米精细过滤层的结构示意图。
图3为本发明过滤层中具有部分重叠梯度的结构示意图。
图4为本发明实施例1中具有三维卷曲结构纤维的结构和纤维排布示意图。
图5为本发明实施例2中具有三维卷曲结构纤维的结构示意图。
图6为本发明实施例3中具有三维卷曲结构纤维的结构示意图。
图7为本发明实施例4中具有三维卷曲结构纤维的结构示意图。
图8为本发明实施例1中接收板的结构示意图。
图9为本发明实施例2中接收板的结构示意图。
图中示出：纳米精细过滤层A、微米支撑初级过滤层B、保护面层C、网格基体纤维层D、锥体结构E、锥体结构E的锥角α。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
图1是本发明具有梯度结构的高效低阻复合结构过滤介质材料的结构示意图。图2为图1中具有网格结构的纳米精细过滤层的结构示意图。高效低阻微纳米纤维复合微观梯度结构过滤材料，包括纳米精细过滤层A、微米支撑初级过滤层B、保护面层C；纳米精细过滤层A和微米支撑初级过滤层B交互叠加，设置在两层保护面层C之间。
纳米精细过滤层A具有网格结构，由平面基体纤维层D和锥体结构E组成，其中锥体结构E的尖端与网格基体纤维层D间的纤维形成沿尖端到基体纤维层D的取向排列，锥体结构E的锥角α为10～70°，锥体尖端的间距为2～20mm；纳米精细过滤层A表面带电或不带电。
微米支撑初级过滤层B由具有卷曲结构的微米纤维层组成，且该纤维层所构成纤维与该层水平面呈角β(10-50°)，该微米纤维具有Z型、S型、螺旋或波浪卷曲结构。
分别用纳米尺寸级别材料制备成精细过滤层，用微米尺寸级别材料制备成支撑初级过滤层，然后将纳米精细过滤层与微米支撑初级过滤层，以及保护面层通过热风粘合技术复合，得到用于空气过滤的高效低阻过滤介质材料。
本发明高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料的保护面层为保护层，微米支撑初级过滤层为初级过滤层及容尘层；纳米纤维层为精细过滤层。
本发明高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料是一种具有三维立体结构的高效低阻过滤介质材料，纳米精细过滤层为含有锥形尖锥堆积结构的纳米纤维层，支撑过滤层由微米级纤维组成，且形成了垂直于过滤材料面层方向的尺度梯度，且该尺度梯度不存在明显的分层梯度，存在部分的重叠。
模板中的网格结构是底板上以一定密度分布的椎体结构分布形成的网格结构；而纳米精细过滤层中的网格结构是由于具有网格结构的模板赋予该纳米纤维层的网格结构。
实施例1
聚乙烯醇(Mw＝2.5×105g/mol)真空干燥(50℃，12h)后，采用去离子水为溶剂，升温到80℃后搅拌2h，得到质量浓度为10％均匀的PVA溶液，静置脱泡4h。
如图1-图3所示，将PVA溶液采用无针头自由表面静电纺丝方法制备纳米精细过滤层A，该纳米精细过滤层A为PVA表面不带电的纳米精细过滤层。成型时，接收板与溶液槽之间的距离约25cm，电压约60kV，溶液槽中的缠有金属丝形成线电极的转子的转速为70r/min。接收板的材质为塑料，接收板如图8所示，接收板包括底部板材和锥体结构，多个锥体结构均布在底部板材上，锥体结构的底部为圆形，锥体结构圆形底部的直径F为4mm，锥体结构分布密度为50个/cm2，模板锥体结构的高度为0.001mm。得到的纳米精细过滤层A具有网格结构，PVA表面不带电，如图2所示，锥体结构E的尖端与网格基体纤维层D间存在取向的纤维结构，锥体结构E的锥角为40°，锥体尖端的间距为10mm；PVA精细过滤层的纳米纤维的直径为100～200nm，克重为10g/m2。
微米支撑初级过滤层B由如图4所示的具有螺旋结构的聚乳酸纤维通过针刺方法得到无纺布材料，无纺布材料中聚乳酸纤维的直径为20～50μm，纤维轴向方向与布基材面的夹角β为20°，克重为100g/m2，然后通过电晕放电驻极工艺处理，得到带电的微米支撑初级过滤层B。
成型时，在如图8所示的接收板上设置具有螺旋结构的聚乳酸纤维通过针刺方法得到的无纺布材料，然后在其上接收叠加PVA表面不带电的纳米精细过滤层，然后在所得材料上下端分别设置克重为40g/m2纤维素再生纤维纺粘无纺布，通过热风粘合技术将4层复合，热风复合温度为180℃，制得具有局部取向3D立体结构的复合过滤材料，且滤材中微米支撑初级过滤层和精细过滤层间存在部分重叠梯度结构(如图3)，得到用于空气过滤的高效低阻过滤介质材料。
采用美国TSI公司的TSI 8130型自动滤材测试仪对滤材进行过滤性能测试，当压力降为110Pa，本实施例所得加电处理复合过滤介质材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.99％，而同是通过自由表面静电纺丝制备的具有三维空腔结构的PAN微球/纳米纤维复合膜，其过滤性能达到99.99％时，压力降为126.7Pa【Gao H,Yang Y,Akampumuza O,et al.Low filtration resistance three-dimensional compositemembrane fabricated via free surface electrospinning for effectivePM2.5capture[J].Environmental Science Nano,2017,4(4).】。表明了在滤材中，微米支撑初级过滤层相对于微球/纳米纤维复合过滤层而言，滤材的蓬松度增加，且具有更强的降低压力降的作用。
本发明滤材在持续过滤加载时间30min时，当微米支撑初级过滤层B在迎风面时，压力降从110Pa增为369Pa；当纳米精细过滤层A在迎风面时，压力降从110Pa增为581Pa。说明了具有梯度结构的微纳米纤维过滤材料的微米支撑初级过滤层能够大大降低阻力上升的速度，具有更长的使用寿命。
同现有技术的复合梯度结构过滤材料相比，该复合梯度结构过滤介质材料制备工艺简单，高效低阻，具有卷曲结构的微米纤维层和包含锥形尖锥堆积结构的纳米纤维层组合形成的具有3D立体结构的微纳米过滤层，增加了纤维与气流间惯性碰撞机会，导致颗粒被过滤组分拦截的机率增加。同时由于微米纤维方向与气流方向成一定的角度，减小了滤材直接拦截的阻力，立体结构提供的孔隙结构，改变气流的流动方向，更为蓬松的微米级纤维过滤层结构可容纳更多被过滤的颗粒，从而大大降低了滤材的过滤阻力。
实施例2
聚乳酸(Mw＝6.0×105g/mol)真空干燥后(60℃，10h)备用。
如图1-图3所示，将PLA溶液采用熔喷静电纺丝方法制备纳米精细过滤层A，该纳米精细过滤层A为PLA表面带电的纳米精细过滤层。成型时，接收板与熔喷静电喷丝头之间的距离约20cm，电压约60kV，PLA熔体以0.3cc/min的流速进行熔喷静电纺丝。接收板的材质为不锈钢带，带接收面结构如图9所示，接收面包括底部板材和锥体结构，多个锥体结构均布在底部板材上，锥体结构的底部为正方形，正方形的边长F为1.41mm，锥体结构分布密度为60个/cm2，模板锥体结构的高度为0.002mm。得到的纳米精细过滤层A具有网格结构，PLA表面带电，如图2所示，锥体结构E的尖端与网格基体纤维层D间存在取向的纤维结构，锥体结构E的锥角为50°，锥体尖端的间距为15mm；PLA精细过滤层的纳米纤维的直径为400～800nm，克重为20g/m2。
微米支撑初级过滤层B由如图5所示的具有Z型卷曲结构的聚酯纤维通过水刺方法得到无纺布材料，无纺布材料中聚酯纤维的直径为2～10μm，纤维轴向方向与布基材面的夹角β为45°，克重为50g/m2，然后通过摩擦起电工艺处理，得到带电的微米支撑初级过滤层B。
成型时，在图9的模板上设置具有Z型卷曲结构的聚酯纤维通过水刺方法得到的无纺布材料，然后在其上接收叠加PLA表面带电的纳米精细过滤层，再在PLA表面带电的纳米精细过滤层叠加具有Z型卷曲结构的聚酯纤维通过水刺方法得到的无纺布材料，然后在所得材料上下端分别设置克重为20g/m2聚丙烯纤维熔喷无纺布，通过热风粘合技术将5层复合，热风复合温度为180℃，制得具有局部取向3D立体结构的复合过滤材料，且滤材中微米支撑初级过滤层和精细过滤层间存在部分重叠梯度结构，得到用于空气过滤的高效低阻过滤介质材料。
采用美国TSI公司的TSI 8130型自动滤材测试仪对滤材进行过滤性能测试，当压力降为60Pa，本实施例所得加电处理复合过滤介质材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9％，能够有效实现空气过滤的目的。
实施例3
聚己内酯(Mw＝1.2×106g/mol)真空干燥后(50℃，8h)，采用二甲基乙酰胺为溶剂，升温到60℃后搅拌2h，得到质量浓度为15％均匀的PCL溶液，静置脱泡3h。
如图1-图3所示，将PCL溶液采用双针头静电纺丝方法制备纳米精细过滤层A，该纳米精细过滤层A为PCL表面带电的纳米精细过滤层。成型时，接收板与针头之间的距离约12cm，电压约15kV，PCL溶液以0.5mL/h的流速进行静电纺丝。接收板的材质为硅晶片，接收板为网格直径为0.04mm、密度为80个/cm2、高度为0.02mm的圆形网格。得到的纳米精细过滤层A具有网格结构，PCL表面带电，如图2所示，锥体结构E的尖端与网格基体纤维层D间存在取向的纤维结构，锥体结构E的锥角为60°，锥体尖端的间距为12mm；PCL精细过滤层的纳米纤维的直径为80～300nm，克重为4g/m2。
微米支撑初级过滤层B由如图6所示具有螺旋卷曲结构的聚丙烯纤维通过纺粘方法得到无纺布材料，无纺布材料中聚丙烯纤维的直径范围为20～40μm，纤维轴向方向与布基材面的夹角为25°，克重为120g/m2，然后通过电晕放电驻极工艺处理，得到带电的微米支撑初级过滤层。
成型时，在模板上设置具有螺旋卷曲结构的聚丙烯纤维通过纺粘方法得到的无纺布材料，然后在其上接收叠加PCL表面带电的纳米精细过滤层，然后在所得材料上下端分别设置克重为60g/m2纤维素再生纤维纺粘无纺布，通过热风粘合技术将4层复合，热风复合温度为150℃，制得具有局部取向3D立体结构的复合过滤材料，且滤材中微米支撑初级过滤层和精细过滤层间存在部分重叠梯度结构，得到用于空气过滤的高效低阻过滤介质材料。
采用美国TSI公司的TSI 8130型自动滤材测试仪对滤材进行过滤性能测试，当压力降为40Pa，本实施例所得加电处理复合过滤介质材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.97％，能够有效实现空气过滤的目的。
实施例4
聚酰胺(Mw＝3.5×105g/mol)真空干燥后(70℃，12h)，采用甲酸为溶剂，升温到70℃后搅拌2h，得到质量浓度为10％均匀的PA溶液，静置脱泡4h。
如图1-图3所示，将PA溶液采用单针头静电纺丝方法并经过正己醇处理制备纳米精细过滤层A，该纳米精细过滤层A为PA表面不带电的纳米精细过滤层。成型时，接收板与针头之间的距离约10cm，电压约10kV，PA溶液以0.3mL/h的流速进行静电纺丝。接收板的材质为不锈钢，接收板为网格边长为0.5mm、密度为60个/cm2、高度为0.01mm的六边形网格。得到的纳米精细过滤层A具有网格结构，PA表面不带电，如图2所示，锥体结构E的尖端与网格基体纤维层D间存在取向的纤维结构，锥体结构E的锥角为55°，锥体尖端的间距为16mm；PA精细过滤层的纳米纤维的直径为100～250nm，克重为15g/m2。
微米支撑初级过滤层B由如图7所示的具有S型卷曲结构的聚氨酯弹性纤维通过熔喷方法得到无纺布材料，无纺布材料中聚氨酯纤维的直径范围为25～40μm，纤维轴向方向与布基材面的夹角为30°，克重为90g/m2，得到不带电的微米支撑初级过滤层。
成型时，在模板上设置具有S型卷曲结构的聚氨酯弹性纤维通过熔喷方法得到无纺布材料，然后在其上接收叠加PA表面不带电的纳米精细过滤层，然后在所得材料上下端分别设置克重为20g/m2聚酯纤维热风无纺布，通过热风粘合技术将4层复合，热风复合温度为200℃，制得具有局部取向3D立体结构的复合过滤材料，且滤材中微米支撑初级过滤层和精细过滤层间存在部分重叠梯度结构，得到用于空气过滤的高效低阻过滤介质材料。
采用美国TSI公司的TSI 8130型自动滤材测试仪对滤材进行过滤性能测试，当压力降为200Pa，本实施例所得未加电复合过滤介质材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.99％，能够有效实现空气过滤的目的。
实施例5
聚苯乙烯(Mw＝3.0×105g/mol)真空干燥后(50℃，12h)，采用DMF为溶剂，升温到80℃后搅拌1h，得到质量浓度为15％均匀的PS溶液，静置脱泡4h。
如图1-图3所示，将PS溶液采用离心静电纺丝方法制备纳米精细过滤层A并经过正己醇处理制备纳米精细过滤层A，该纳米精细过滤层A为PS表面不带电的纳米精细过滤层。成型时，接收板与针头之间的距离约10cm，电压约20kV，离心纺丝转速350r/min进行纺丝。接收板的材质为塑料，接收板为网格直径为0.5mm、密度为80个/cm2、高度为0.3mm的圆形网格。得到的纳米精细过滤层A具有网格结构，PS表面不带电，如图2所示，锥体结构E的尖端与网格基体纤维层D间存在取向的纤维结构，锥体结构E的锥角为20°，锥体尖端的间距为15mm；PS精细过滤层的纳米纤维的直径为200～500nm，克重为4g/m2。将表面不带电的PS纳米精细过滤层通过电晕放电处理得到表面带电的PS纳米精细过滤层。
微米支撑初级过滤层B由具有S型卷曲结构的聚丙烯纤维通过纺粘方法得到无纺布材料，无纺布材料中聚丙烯纤维的直径范围为10～25μm，纤维轴向方向与布基材面的夹角为50°，克重为120g/m2，然后通过热极化工艺处理，得到带电的微米支撑及初级过滤复合层。
成型时，在模板上设置具有S型卷曲结构的聚丙烯纤维通过纺粘方法得到无纺布材料，然后在其上接收叠加PS表面带电的纳米精细过滤层，再在PS表面带电的纳米精细过滤层叠加具有S型卷曲结构的聚丙烯纤维通过纺粘方法得到无纺布材料，然后在所得材料上下端分别设置克重为50g/m2聚酰胺纤维纺粘无纺布，通过热风粘合技术将5层复合，热风复合温度为200℃，制得具有局部取向3D立体结构的复合过滤材料，且滤材中微米支撑初级过滤层和精细过滤层间存在部分重叠梯度结构，得到用于空气过滤的高效低阻过滤介质材料。
采用美国TSI公司的TSI 8130型自动滤材测试仪对滤材进行过滤性能测试，当压力降为230Pa，本实施例所得加电处理复合过滤介质材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.999％，能够有效实现空气过滤的目的。
实施例6
聚氧化乙烯(Mw＝2.0×106g/mol)真空干燥后(50℃，10h)，采用水为溶剂，升温到60℃后搅拌2h，得到质量浓度为5％均匀的PEO溶液，静置脱泡5h。
如图1-图3所示，将PEO溶液采用双针头静电纺丝方法制备纳米精细过滤层A，该纳米精细过滤层A为PEO表面不带电的纳米精细过滤层。成型时，接收板与针头之间的距离约12cm，电压约15kV，PEO溶液以0.5mL/h的流速进行静电纺丝。接收板的材质为云母片，接收板为网格直径为0.6mm、密度为70个/cm2、高度为0.005mm的圆形网格。得到的纳米精细过滤层A具有网格结构，PEO表面不带电，如图2所示，锥体结构E的尖端与网格基体纤维层D间存在取向的纤维结构，锥体结构E的锥角为50°，锥体尖端的间距为8mm；PEO精细过滤层的纳米纤维的直径为100～300nm，克重为2g/m2。
微米支撑初级过滤层B由具有Z型卷曲结构的聚乙烯醇缩甲醛纤维和PP/PE皮芯结构纤维(PP与PE质量比例为50:50；聚乙烯醇缩甲醛纤维和PP/PE皮芯结构纤维质量比例为80:20)通过水刺方法得到无纺布材料，无纺布材料中聚乙烯醇缩甲醛纤维的直径范围为15～30μm，PP/PE皮芯结构纤维的直径范围为10～25μm，纤维轴向方向与布基材面的夹角为20°，克重为60g/m2，得到不带电的微米支撑初级过滤层。
成型时，在模板上设置具有Z型卷曲结构的聚乙烯醇缩甲醛纤维和PP/PE皮芯结构纤维(PP与PE质量比例为50:50；聚乙烯醇缩甲醛纤维和PP/PE皮芯结构纤维质量比例为80:20)通过水刺方法得到无纺布材料，然后在其上接收叠加PEO表面不带电的纳米精细过滤层，然后在所得材料上下端分别设置克重为50g/m2聚丙烯纤维热风无纺布，通过热风粘合技术将4层复合，热风复合温度为150℃，制得具有局部取向3D立体结构的复合过滤材料，且滤材中微米支撑初级过滤层和精细过滤层间存在部分重叠梯度结构，得到用于空气过滤的高效低阻过滤介质材料。
采用美国TSI公司的TSI 8130型自动滤材测试仪对滤材进行过滤性能测试，当压力降为140Pa，本实施例所得未加电复合过滤介质材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9％，能够有效实现空气过滤的目的。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料，其特征在于，包括纳米精细过滤层(A)、微米支撑初级过滤层(B)和保护面层(C)；微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层交互叠加，设置在两层保护面层之间；
所述纳米精细过滤层由平面基体纤维层(D)和锥体结构(E)组成，其中锥体结构(E)的尖端与网格基体纤维层(D)间的纤维形成沿尖端向平面基体纤维层(D)的取向结构，锥体结构(E)的锥角为10～70°，锥体尖端的间距为2～20mm；多个锥体结构(E)在平面基体纤维层(D)均布形成网格状结构；
所述的微米支撑初级过滤层(B)由具有卷曲结构的微米纤维层组成；所述纳米精细过滤层具有网格状结构；
所述的纳米精细过滤层表面带电或不带电；微米支撑过滤层带电或不带电。
2.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料，其特征在于，所述纳米精细过滤层中纳米纤维的直径为10～1000nm，克重为0.5～20g/m2；所述微米支撑初级过滤层的纤维材料的直径为1～100μm，克重为10～200g/m2。
3.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料，其特征在于，所述微米支撑初级过滤层的纤维材料通过针刺、水刺、纺粘、熔喷或缝编获得的无纺布结构。
4.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料，其特征在于，所述微米纤维层的纤维与水平面呈10-50°角，所述微米纤维层的纤维具有Z型、S型、螺旋或波浪卷曲结构；所述微米纤维层的纤维为短纤维时，自身具有卷曲结构；所述微米纤维层的纤维为长丝时，通过复合纺丝工艺获得卷曲结构；所述复合纺丝工艺所获得的复合纤维包括皮芯、偏芯或并列型结构。
5.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料，其特征在于，所述微米支撑初级过滤层的材质包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚氨酯弹性纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇缩醛纤维、聚乳酸纤维、醋酯纤维、纤维素纤维、聚己内酯纤维、皮芯结构纤维、天然纤维或无机纤维；
所述皮芯结构纤维包括PP/PE、PET/PE、PA/PE、PET/PA、PET/coPET纤维，其中PE、PA或coPET为皮层；
所述天然纤维包括棉、木棉、黄麻、大麻、苎麻、罗布麻、椰壳纤维、菠萝纤维、竹原纤维或秸秆纤维；
所述无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维或玄武岩纤维。
6.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料，其特征在于，所述保护面层的材质包括聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维或纤维素再生纤维。
7.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料，其特征在于，所述保护面层为通过纺粘、热轧或热风成型得到的无纺布材料，克重为10～80g/m2。
8.根据权利要求1所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料，其特征在于，当压力降为130-300Pa，未加电的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9-99.999％；当压力降为30-250Pa，加电处理的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料对质量中值直径为0.26μm的NaCl气溶胶的过滤效率为99.9-99.999％，实现高效空气过滤。
9.权利要求1-8任一项所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将高分子聚合物与溶剂混合，配制成质量分数为5～40％的高分子溶液，静置脱泡；
2)将所得高分子溶液采用针头静电纺丝、离心纺丝、无针头自由表面静电纺丝、离心静电纺丝或熔喷静电纺丝成型加工，以模板作为接收器，制备得到具有网格结构的表面带电或不带电的纳米精细过滤层；或将高分子溶液采用冷冻干燥相分离、离心纺丝、针头静电纺丝、无针头自由表面静电纺丝、离心静电纺丝或熔喷静电纺丝技术成型加工，以模板作为接收器，后经过正己醇处理，制备得到具有网格结构不带电的纳米精细过滤层；
3)微米支撑初级过滤层通过电晕放电、摩擦起电、热极化法或低能电子束轰击法的静电驻极工艺处理，得到带电的微米支撑初级过滤层；
4)高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料的最外两层为保护面层，微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层依次交互叠加；保护面层、微米支撑初级过滤层、纳米精细过滤层和保护面层采用热风粘合技术复合，热风复合温度为150-250℃。
10.根据权利要求9所述的高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料的制备方法，其特征在于，所述模板的材质包括塑料、陶瓷、不锈钢、铜、铝、云母片或硅晶片；所述模板包括底部板材和锥体结构阵列，多个锥体结构均布在底部板材上，形成锥体结构阵列，锥体结构的底部为正多边形或者圆形，锥体结构的直径或边长为0.01～5mm，锥体结构分布密度为10～100个/cm2，锥体结构的高度为0.001～1.0mm；底板上分布一定密度的椎体，形成网格结构；
所述高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯、聚偏氟乙烯、聚偏氯乙烯、乙烯-丙烯共聚物、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯弹性体、聚酰胺和共聚聚酰胺中的一种或多种。
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