CN109109422A - 一种耐用型防雾霾纱网及其生产装置与生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空气过滤材料，旨在提供一种耐用型防雾霾纱网及其生产装置与生产方法。该纱网包括基层纱网和过滤层，在基层纱网和过滤层之间具有树脂涂层；所述过滤层由纳米纤维层和微米纤维层交替堆叠而成，其最下层为纳米纤维层，最上层为微米纤维层；纳米纤维层中的纤维直径为100～400纳米，微米纤维层中的纤维直径为1～10微米；基层纱网与树脂涂层之间、树脂涂层与过滤层之间、过滤层中纳米纤维层与微米纤维层之间彼此紧密粘合。本发明生产效率高、不需要添加复合设备，减少了工艺流程，产品具有高透光和高透气性；能增加粘合面积，提供机械强度和保护，保证无损粘合且牢度高，大幅提升了产品耐用性；过滤层中各纤维间结点稳定存在。

Description

一种耐用型防雾霾纱网及其生产装置与生产方法
技术领域
本发明涉及一种空气过滤材料，具体涉及一种利用静电离心纺微纳米纤维制备技术生产防雾霾纱网及生产装置与方法，属于空气过滤领域。
背景技术
近年来，随着我国工业化的不断发展，经济社会不断进步、成就非凡，但是空气污染问题也日益凸显。有调查显示：我国某些城市一年中出现雾霾天气的天数为100-200天左右，已经严重影响了人们的日常生活和身体健康。雾霾天气的危害很大，对于患有哮喘、慢性支气管炎、慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病的人群会引起气短、胸闷等不适，可能造成肺部感染，或出现急性加重反应。为了防止过多的接触污染物，人们会减少室外活动，在室内活动的人一般都选择不开窗，但是这样就会造成室内空气不流通，在这样的环境下极适于各种病菌传播，对人们的健康十分不利。目前，常用窗户的窗纱孔径大，只能阻挡体积较大的杂物或昆虫，而像灰尘、花粉、尾气等细微颗粒物则无法阻挡，即使人们在室内，打开窗户后细微颗粒也会进入室内，污染室内环境；并且，在下雨天气为了使室内换气而开窗户，雨水常会被风吹进室内，普通的纱网无法阻挡雨水侵入，屋内墙面常会被浸湿。
为了减轻霾的危害，除了减小污染源之外，采取有效的防护手段是十分必要的，目前有些地区已经开始使用室内新风系统，可以不用开窗通风，但是新风系统造价高，普及程度和速度较慢，受到各方面限制；而采用具有防霾效果的窗纱等防护性产品是降低霾对人们身体伤害的可靠途径。目前，防雾霾窗纱主要有四大类，包括：传统窗纱改良、窗体结构改造、窗纱微孔膜复合、窗纱纤维膜复合。
一、传统窗纱改良。2014年，德国Trittec公司生产的第五代微尘过滤窗纱，有超强阻隔微尘、花粉及蚊虫的功能。据Trittec公司介绍，该产品有两大特点：一是全球首创微粒过滤技术(PTF)(静电阻隔)，也就是利用静电原理阻挡微小颗粒。二是利用德国高科技纺织技术，每根纤维都呈均匀的圆柱形，而经纬黏结的特殊处理，使得整个纱网外观精致，并且最大限度实现了隐形效果。经过防微尘雨水试验测试，能有效过滤75％以上微尘和雨水，实际PM1-PM3的微尘阻隔率在73.6％以上。与普通纱网相比，网格密度基本相似，其网格尺寸为0.7x0.3mm，具有良好的透光透气性能，其双元纤维直径为0.15mm，隐形效果好，可以提升人们的生活品质。然而其市场售价十分昂贵，很大程度上限制了产品的推广，同时其阻隔效率有待提高。市场上很多具有一定防微尘功能的窗纱多数是采用加大窗纱密度的方式实现，因此制作成本增加，同时窗纱透气透光性能降低中国专利CN105863478A公开了“一种防微尘雾霾透明窗纱及其制备方法”，其中采用几种纳米颗粒(包括纳米SiO2、掺锑SnO2、锐钛型纳米TiO2)涂覆在窗纱上，利用静电排斥作用阻隔微尘进入，其可见光透光率在75％以上，室内PM2.5净化率50％-70％。这些防雾霾窗纱主要从静电吸附或排斥入手，在实际使用中存在较多问题。首先是过滤效率普遍较低，其次是材料在光照下会不断老化，产生的静电作用随使用时间延长而不断减弱，更换成本较高。同时纱网可以提供的吸附面积很小，采用吸附的方式对雾霾的吸附量十分有限。
二、窗体结构改造。中国专利CN104912470A公开了“一种具有微尘过滤功能的纱窗”，将具有静电吸附作用的中间层贴覆在窗纱上，利用两侧框体固定和避免中间层损伤。中国专利CN105275370A公开了“一种防雾霾窗纱及其制作方法”，采用两层网孔对齐的窗纱作为骨架，将熔喷聚丙烯无纺布置于中间层，具有良好的过滤效果，并且对过滤层形成保护。中国专利CN203701918U和CN204782675U公开了“一种防雾霾窗纱”，窗框主体采用两层窗纱，在第一窗纱布与第二窗纱布之间加入活性炭网布，利用活性炭网布的吸附功能拦截微尘进入。中国专利CN204703727U公开了“一种防雾霾纱窗”，在支撑网层和保护网层之间加入纳米纤维膜阻隔微尘进入。这些方法采用两侧框体或者两侧窗纱，对中间过滤层有良好的保护作用，但是最大的缺点是处于中间层的过滤膜不易清洗，而且窗体改造以及双层的窗纱结构，会大幅增加成本。另外窗体结构改造涉及墙体调整，不适合普及，同时中间过滤层材料多数采用熔喷或者纺粘无纺布，透气透光性能有待提高。
三、窗纱微孔膜复合。中国专利CN105257198A公开了一种“防霾透气窗纱加工工艺及防霾透气窗纱”，将带有微孔的负离子膜与窗纱复合，具有良好的过滤效果和透光性能，并能够连续向周围释放负离子起到净化室内空气的作用。中国专利CN104763308A公开了“一种防PM2.5窗纱及其制备方法”，利用PTFE微孔膜与窗纱复合防止微尘进入，而PTFE微孔膜的透光性能很差。中国专利CN104153701B公开了一种“防雾霾通风透明窗纱及其制作方法”，采用负载二氧化钛的金属丝网作为初效过滤层与透明微孔膜和高效过滤核孔膜复合，具有良好的阻隔效果，同时使用寿命较长。这些方案采用微孔膜与窗纱复合，工艺流程简单，阻隔效果好，使用时间也比较长，然而其突出的问题是微孔膜透气性能一般较差，不利于空气流通，同时很多微孔膜的透光性也有待提高。
四、窗纱纤维膜复合。目前，有很多方案采用纳米纤维膜与窗纱复合的案例。中国专利CN204703728U公开了“一种纳米纤维膜窗纱”，采用静电纺纳米纤维膜与基层窗纱复合。中国专利CN104047116A公开了“一种防雾霾纳米窗纱制作方法”，采用聚酰胺6静电纺纳米纤维膜与聚酯窗纱复合并在纤维膜表面喷涂纳米二氧化钛。中国专利CN106669384A公开了一种“可释放负离子的复合防雾霾窗纱及其静电纺丝装置和方法”，通过静电纺将纳米纤维纺制到窗纱上，然后通过静电喷雾的方式将可以释放负离子的材料复合到纤维膜上。这些方法都是采用静电纺纳米纤维膜，因为纳米纤维膜具有优良的阻隔效果同时透气性能良好，也保证了室内具有良好的采光，即其可以同时满足透气、透光和防霾效果。然而纳米纤维膜的耐用性较差，主要由于纳米纤维机械强度差，容易受损，有些方案提出的复合保护，增加了复合工序，同时在一定程度上减弱了透光性。静电纺的纤维直径普遍在1微米以下，具有良好的过滤、透光和透气性，但是纤维本身机械强度很低，粘合点的粘合面积小，无法形成有效的粘结强力，导致过滤层容易与窗纱脱落，纯纳米纤维并不适合采用超声波粘合，并且纳米纤维在光照下的老化速度更快，这些都导致了纳米纤维防雾霾窗纱的使用时间大大缩短。
目前，尚未见有利用静电离心纺制备防雾霾窗纱的报道。静电离心纺法结合静电纺和离心纺的优势，不仅纤维品质更好，生产速度更快，同时扩大了纤维直径范围100nm-10μm，能够同时生产微米纤维和纳米纤维，并能够调整纤维膜的蓬松程度，具有显著的高效低阻特征。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种耐用型防雾霾纱网及其生产装置与生产方法。本发明很好地解决了现有技术中透气性差、采光不足、使用寿命短、生产效率低等问题。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
提供一种耐用型防雾霾纱网，包括基层纱网和过滤层，在基层纱网和过滤层之间具有树脂涂层；所述过滤层由纳米纤维层和微米纤维层交替堆叠而成，其最下层为纳米纤维层，最上层为微米纤维层；纳米纤维层中的纤维直径为100～400纳米，微米纤维层中的纤维直径为1～10微米；基层纱网与树脂涂层之间、树脂涂层与过滤层之间、过滤层中纳米纤维层与微米纤维层之间彼此紧密粘合。
本发明中，所述过滤层包括至少2组由纳米纤维层和微米纤维层交替堆叠而成的结构。
本发明中，所述纳米纤维层的克重为0.1～5g/m2，微米纤维层的克重为5～20g/m2；在单位面积内，纳米纤维层与微米纤维层的纤维根数比值范围为20～100∶1。
本发明进一步提供了用于制备前述耐用型防雾霾纱网的装置，包括用于卷绕基层纱网的辊轴和用于牵引和卷绕纱网成品的卷绕装置；还包括依次布置的树脂涂覆装置、用于生成纳米纤维层的第一静电离心纺装置、用于生成微米纤维层的第二静电离心纺装置、超声波粘合装置和雾化装置，与雾化装置相对设置气流循环系统用于引导雾化气流和收集废液；第一静电离心纺装置和第二静电离心纺装置至少有两组，且连续地间隔布置。
本发明还提供了前述耐用型防雾霾纱网的生产方法，包括以下步骤：
(1)将卷绕了基层纱网的卷筒装在辊轴上，基层纱网的中间部分由输网帘承载，末端接至卷绕装置；
(2)在输网帘的带动下，基层纱网依次穿过树脂涂覆装置、第一静电离心纺装置与第二静电离心纺装置的组合、超声波粘合装置和雾化装置；该过程中：
由树脂涂覆装置在基层纱网的上表面涂覆树脂涂料，形成树脂涂层；第一静电离心纺装置的喷丝器利用纺丝液产出纳米纤维，由纱网收集后在树脂涂层上形成最下层的纳米纤维层；第二静电离心纺装置的喷丝器利用纺丝液产出微米纤维，由纱网收集后在纳米纤维层上形成中间的微米纤维层；同理，第二组静电离心纺装置继续在纱网上形成纳米纤维层和微米纤维层；被纱网收集的纳米纤维层与微米纤维层交替堆叠，共同组成过滤层；在超声波粘合装置的作用下，基层纱网与树脂涂层之间、树脂涂层与纳米纤维层之间、过滤层中纳米纤维层与微米纤维层之间各相接部位发生局部熔融粘合；在雾化装置中，流动空气携带雾化的粘合剂微粒持续穿过纱网，被纱网收集的粘合剂进一步强化各相接部位的粘合效果；
(3)成品纱网最终被卷绕至卷绕装置中的辊筒上。
本发明中，向第一静电离心纺装置与第二静电离心纺装置的喷丝器中连续注入纺丝液，供料流速比为0.2～1∶1；喷丝器的电压比为2～5∶1，运行电压范围2～10kV；第一静电离心纺装置中喷丝器的驱动电机转速为3000～6000rpm，第二静电离心纺装置中喷丝器的驱动电机转速为2000～3000rpm；第一静电离心纺装置与第二静电离心纺装置的喷丝器之间的间距为30～60cm。
本发明中，输网帘的移动速度为1～10m/min，卷绕装置的卷绕速度与输网帘的移动速度相匹配。
本发明中，所述纺丝液是下述的任意一种或多种的组合：聚丙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酯、聚乙烯，或纤维素及纤维素衍生物等。
本发明中，所述树脂涂料是下述的任意一种或多种的组合：聚氨酯、丙烯酸、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中采用静电离心纺同步制备纳米纤维层和微米纤维层，生产效率高；可纺纤维原料可溶或可熔具有更多选择范围；
(2)本发明中在同道工序中实现了纳米纤维层和微米纤维层的交叠，不需要添加复合设备，减少了工艺流程，同时也避免了对纤维层的损伤；
(3)过滤层中的纤维集合体蓬松度可调与同时存在的纳米纤维层与微米纤维层之间的交叠结构二者共同保障了高透光和高透气性；
(4)树脂涂层处理增加粘合面积，多层微米纤维层提供足够的机械强度和保护，超声波粘合保证了无损粘合且牢度高，三者结合大幅提升了产品耐用性；雾化粘合过程使过滤层中各纤维间结点稳定存在，保证过滤的稳定性。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图；
图2为基层纱网在涂覆树脂前后，其纬线截面的变化示意图。
附图标记说明：基层纱网1、树脂涂覆装置2、第一静电离心纺装置3、第二静电离心纺装置4、超声波粘合装置5、雾化装置6、气流循环系统7。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。需指出的是，这些实例仅用于说明本发明，便于本领域的技术人员进一步理解本发明的技术构思及特点，而不用于限制本发明的范围。应当指出的是，对本领域技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明作出各种改动或修改，这些等价形式同样属于本发明所附权利要求书所限定的范围。
用于制备耐用型防雾霾纱网的装置如图1所示，包括用于卷绕基层纱网1的辊轴和用于牵引和卷绕纱网成品的卷绕装置；以及依次布置的树脂涂覆装置2、用于生成纳米纤维层的第一静电离心纺装置3、用于生成微米纤维层的第二静电离心纺装置4、超声波粘合装置5和雾化装置6，与雾化装置6相对设置气流循环系统7用于引导雾化气流和收集废液；第一静电离心纺装置3和第二静电离心纺装置4至少有两组，且连续地间隔布置(图1中只显示了其中一组)。
耐用型防雾霾纱网的生产方法，包括以下步骤：
(1)将卷绕了基层纱网1的卷筒装在辊轴上，基层纱网1的中间部分由输网帘承载，末端接至卷绕装置；
(2)在输网帘的带动下，基层纱网1依次穿过树脂涂覆装置2、第一静电离心纺装置3与第二静电离心纺装置4的组合、超声波粘合装置5和雾化装置6；该过程中：
由树脂涂覆装置2在基层纱网1的上表面涂覆树脂涂料，形成树脂涂层；第一静电离心纺装置3的喷丝器利用纺丝液产出纳米纤维，由纱网收集后在树脂涂层上形成最下层的纳米纤维层；第二静电离心纺装置4的喷丝器利用纺丝液产出微米纤维，由纱网收集后在纳米纤维层上形成中间的微米纤维层；同理，第二组静电离心纺装置继续在纱网上形成纳米纤维层和微米纤维层；被纱网收集的纳米纤维层与微米纤维层交替堆叠，共同组成过滤层；在超声波粘合装置5的作用下，基层纱网与树脂涂层之间、树脂涂层与纳米纤维层之间、过滤层中纳米纤维层与微米纤维层之间各相接部位发生局部熔融粘合；在雾化装置6中，流动空气携带雾化的粘合剂微粒持续穿过纱网，被纱网收集的粘合剂进一步强化各相接部位的粘合效果；在气流循环系统7中，以风机驱动空气形成气流带动雾化的粘合剂微粒。
(3)成品纱网最终被卷绕至卷绕装置中的辊筒上。
上述过程中：向第一静电离心纺装置3与第二静电离心纺装置4的喷丝器中连续注入纺丝液，供料流速比为0.2～1∶1；喷丝器的电压比为2～5∶1，运行电压范围2～10kV；第一静电离心纺装置3中喷丝器的驱动电机转速为3000～6000rpm，第二静电离心纺装置4中喷丝器的驱动电机转速为2000～3000rpm；第一静电离心纺装置3与第二静电离心纺装置4的喷丝器之间的间距为30～60cm。输网帘的移动速度为1～10m/min，卷绕装置的卷绕速度与输网帘的移动速度相匹配。纺丝液可选下述任意一种或多种的组合：聚丙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酯、聚乙烯，或纤维素及纤维素衍生物等。树脂涂料可选下述的任意一种或多种的组合：聚氨酯、丙烯酸、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯等。
经树脂涂覆处理后，基层纱网1的上表面平整且增加纳米纤维层与之粘合的接触面积(如图2所示)；超声波粘合过程能提高过滤层的机械性能；粘合剂雾化粘合过程主要承担纤维层中各纤维间的粘合作用，以提高过滤稳定性。
本发明制备获得的耐用型防雾霾纱网，包括基层纱网和过滤层，在基层纱网和过滤层之间具有树脂涂层；所述过滤层由纳米纤维层和微米纤维层交替堆叠而成，其最下层为纳米纤维层，最上层为微米纤维层；纳米纤维层中的纤维直径为100～400纳米，微米纤维层中的纤维直径为1～10微米；基层纱网与树脂涂层之间、树脂涂层与过滤层之间、过滤层中纳米纤维层与微米纤维层之间彼此紧密粘合。过滤层包括至少2组由纳米纤维层和微米纤维层交替堆叠而成的结构，该结构的组数由第一静电离心纺装置3与第二静电离心纺装置4的组合数量确定。作为可选的控制参数，纳米纤维层的克重为0.1～5g/m2，微米纤维层的克重为5～20g/m2；在单位面积内，纳米纤维层与微米纤维层纤维的纤维根数比值范围为20～100∶1。
具体示例：
设置第一静电离心纺装置3与第二静电离心纺装置4，使两者的喷丝器之间的间距为40cm，这种配置方式在同道工序上有2组；启动树脂涂覆装置22，采用聚丙烯腈涂覆；启动供料装置，分别向第一静电离心纺装置3与第二静电离心纺装置4的喷丝器连续注入纺丝液，供料量流速比为0.5：1，第一静电离心纺装置3所用纺丝液采用DMF溶解的浓度为15％的PAN溶液，第二静电离心纺装置4所用纺丝液为3份DMF和1份丙酮溶解的浓度为15％的PVDF溶液；启动静电发生器，使两个喷丝器带上高压静电，电压分别为8kV和4kV；启动喷丝器的驱动电机，控制两个电机的转速分别为4000rpm和2500rpm；启动输网帘，纱网在输网帘带动下连续收集两个喷丝器生产的纤维，输网帘速度5m/min；启动超声波粘合装置5、雾化装置6和气流循环系统7中的风机，使含有雾化粘合剂的空气不断循环穿过纤维层，风量为200m3/h；启动卷绕装置，连续收集纱网并使其成卷，卷绕速度5m/min。

Claims (9)

1.一种耐用型防雾霾纱网，包括基层纱网和过滤层，其特征在于，在基层纱网和过滤层之间具有树脂涂层；所述过滤层由纳米纤维层和微米纤维层交替堆叠而成，其最下层为纳米纤维层，最上层为微米纤维层；纳米纤维层中的纤维直径为100～400纳米，微米纤维层中的纤维直径为1～10微米；基层纱网与树脂涂层之间、树脂涂层与过滤层之间、过滤层中纳米纤维层与微米纤维层之间彼此紧密粘合。
2.根据权利要求1所述的防雾霾纱网，其特征在于，所述过滤层包括至少2组由纳米纤维层和微米纤维层交替堆叠而成的结构。
3.根据权利要求1所述的防雾霾纱网，其特征在于，所述纳米纤维层的克重为0.1～5g/m2，微米纤维层的克重为5～20g/m2；在单位面积内，纳米纤维层与微米纤维层的纤维根数比值范围为20～100∶1。
4.用于制备权利要求1所述耐用型防雾霾纱网的装置，包括用于卷绕基层纱网的辊轴和用于牵引和卷绕纱网成品的卷绕装置；其特征在于，还包括依次布置的树脂涂覆装置、用于生成纳米纤维层的第一静电离心纺装置、用于生成微米纤维层的第二静电离心纺装置、超声波粘合装置和雾化装置，与雾化装置相对设置气流循环系统用于引导雾化气流和收集废液；第一静电离心纺装置和第二静电离心纺装置至少有两组，且连续地间隔布置。
5.权利要求1所述耐用型防雾霾纱网的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将卷绕基层纱网的卷筒装在辊轴上，基层纱网的中间部分由输网帘承载，末端接至卷绕装置；
(2)在输网帘的带动下，基层纱网依次穿过树脂涂覆装置、第一静电离心纺装置与第二静电离心纺装置的组合、超声波粘合装置和雾化装置；该过程中：
由树脂涂覆装置在基层纱网的上表面涂覆树脂涂料，形成树脂涂层；第一静电离心纺装置的喷丝器利用纺丝液产出纳米纤维，由纱网收集后在树脂涂层上形成最下层的纳米纤维层；第二静电离心纺装置的喷丝器利用纺丝液产出微米纤维，由纱网收集后形成在纳米纤维层上形成中间的微米纤维层；同理，第二组静电离心纺装置继续在纱网上形成纳米纤维层和微米纤维层；被纱网收集的纳米纤维层与微米纤维层交替堆叠，共同组成过滤层；在超声波粘合装置的作用下，基层纱网与树脂涂层之间、树脂涂层与纳米纤维层之间、过滤层中纳米纤维层与微米纤维层之间各相接部位发生局部熔融粘合；在雾化装置中，流动空气携带雾化的粘合剂微粒持续穿过纱网，被纱网收集的粘合剂进一步强化各相接部位的粘合效果；
(3)成品纱网最终被卷绕至卷绕装置中的辊筒上。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，向第一静电离心纺装置与第二静电离心纺装置的喷丝器中连续注入纺丝液，供料流速比为0.2～1∶1；喷丝器的电压比为2～5∶1，运行电压范围2～10kV；第一静电离心纺装置中喷丝器的驱动电机转速为3000～6000rpm，第二静电离心纺装置中喷丝器的驱动电机转速为2000～3000rpm；第一静电离心纺装置与第二静电离心纺装置的喷丝器之间的间距为30～60cm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，输网帘的移动速度为1～10m/min，卷绕装置的卷绕速度与输网帘的移动速度相匹配。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述纺丝液是下述的任意一种或多种的组合：聚丙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚酯、聚乙烯，或纤维素、纤维素衍生物。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述树脂涂料是下述的任意一种或多种的组合：聚氨酯、丙烯酸、聚丙烯腈、聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯。
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