CN109224627A - 大气颗粒物过滤材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大气颗粒物过滤材料，包括纤维及附着于纤维上的吸附剂颗粒，所述纤维为聚丙烯纤维和聚酯纤维中的至少一种与木纤维和海藻纤维中的至少一种构成的组合；所述吸附剂颗粒为海泡石粉末和活性炭颗粒中的至少一种，所述吸附剂颗粒的质量为纤维质量的5‑20％。本发明还提出所述大气颗粒物过滤材料的制备方法和应用。本发明以具有保湿性能的海泡石粉末和/或活性炭颗粒为吸附活性材料，与聚丙烯纤维和聚酯纤维中的至少一种与木纤维和海藻纤维中的至少一种构成的组合进行复合再加工，形成一定厚度的纤维过滤材料，对空气中PM2.5颗粒具有很强的去除功能，且透气性好。

Description

大气颗粒物过滤材料
技术领域
本发明属于材料领域，具体涉及一种含有纤维的过滤材料及其制备和应用。
背景技术
大气颗粒物(Atmospheric Particulate Matters)是大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质的总称。大气颗粒物中的细颗粒物空气动力学直径≤2.5μm(即PM2.5)，是能够进入人体肺泡的颗粒，避免这类颗粒进入呼吸道是保持健康的重要程序。
隔绝污染空气的口罩主要是依赖口罩材料中纤维织物，通过多层纤维对空气中悬浮颗粒的进行阻隔、过滤和净化。纤维将空气中的颗粒物过滤下来的途径包括沉降作用、拦截作用、扩散作用、静电作用等。纤维层越厚、孔径越小，实现的过滤作用越好。但是对于口罩来说，太厚的织物层会带来使用者不适的感觉，孔径小的织物也会使呼吸不畅。
人在呼吸的时候也同时排出少量水分，通过呼吸排出约为500mL/天。水分对于纤维捕捉打大气中的颗粒有帮助作用。口罩戴在人脸上时，人呼吸中的水汽若能用于口罩的纤维织物保持湿度，则可进一步加强口罩隔绝大气颗粒污染物的作用。
海泡石是一种纤维状的含水硅酸镁，其自然天成的网络架构及众多的微孔洞结构具有神奇的吸收毒气及除异味的功能，据检测，24小时内，海旋风海泡石的甲醛去除率93％，苯去除率86％。海泡石具有大的表面积和空容积，它的理论表面积和空容积可达900平米每克，是相同体积活性炭表面积的5000倍以上。海泡石具有很强的吸附能力。海泡石可吸水至本身的2-2.5倍重量，因此可以作为调湿功能材料，来平衡调节一定范围内的大气水的含量，从而保持一定的湿度。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对本技术领域的不足之处，本发明的目的是提出一种吸附净化PM2.5的大气颗粒物过滤材料。
(二)技术方案
本发明的另一目的是提出所述材料的制备方法。
本发明的第三个目的是提出用所述过滤材料制成的口罩。
实现本发明上述目的技术方案为：
一种大气颗粒物过滤材料，包括纤维及附着于纤维上的吸附剂颗粒，所述纤维为聚丙烯纤维和聚酯纤维中的至少一种与木纤维和海藻纤维中的至少一种构成的组合；所述吸附剂颗粒为海泡石粉末和活性炭颗粒中的至少一种，所述吸附剂颗粒的质量为纤维质量的5-20％。
优选地，所述大气颗粒物过滤材料的孔隙率为75-99.8％，孔径在2nm-100μm之间。
优选地，所述纤维为聚丙烯纤维和/或聚酯纤维10-30质量份，木纤维10-50质量份，海藻纤维0-10质量份的混合纤维。
本发明还提供了大气颗粒物过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚丙烯纤维和/或聚酯纤维加入到水中，并加入助剂，其中水与助剂的质量比为100:(0.05-0.3)，经搅拌分散后成为均匀的纤维浆悬浊液，然后加入木纤维和/或海藻纤维，并充分搅拌均匀得到纤维混合悬浊液；所述助剂为表面活性剂、粘接剂、pH调节剂中的一种或多种；
2)用网格筛从步骤1)所制纤维混合悬浊液中捞出纤维混合物，与吸附剂颗粒充分混合均匀，所述吸附剂颗粒为海泡石粉末和/或活性炭颗粒；
3)将步骤2)得到的混合物铺在粘合膜上，在1-40MPa压力下压制成型。
优选地，所述木纤维先经过活化处理：在氮气保护下将木纤维作活化处理，活化温度为500-700℃，使用的活化剂为水蒸汽，活化时间为20-70min，作为活化剂的水蒸汽与氮气混合，水蒸气流量为1-10g/min。
优选地，步骤1)中聚丙烯纤维和聚酯纤维中的至少一种与木纤维和海藻纤维中的至少一种构成的组合在水中的加入质量比例为1-10％；步骤2)中所述海泡石粉末和/或活性炭颗粒的粒径为200目-2000目。
优选地，所述表面活性剂为三聚磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠中的一种；所述粘接剂为壳聚糖、胍胶、田菁胶、海藻酸钠、聚马来酸酐、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇中的一种或多种；所述pH调节剂为乙酸、氨水、碳酸氢钠中的一种或二种。
本发明一种优选技术方案为，所述步骤3)为，将步骤2)得到的混合物干燥至含水率在8-20％之间，然后在10-20MPa压力下压制成型。
进一步地，所述步骤3)中，将步骤2)得到的混合物压制成为厚度0.1-2mm的片状。
本发明还包括用大气颗粒物过滤材料制成的口罩。
(三)有益效果
本发明的有益效果在于：
本发明以具有保湿性能的海泡石粉末和/或活性炭颗粒为吸附活性材料，与聚丙烯纤维和聚酯纤维中的至少一种与木纤维和海藻纤维中的至少一种构成的组合进行复合再加工，形成一定厚度的纤维过滤材料，对空气中PM2.5颗粒具有很强的去除功能，且透气性好。
本发明的纤维过滤材料兼具有杀菌、保湿的作用，对颗粒物、以及金属微尘具有很强的吸附能力，制成的口罩可长时间佩戴、触感舒适。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例所用木纤维活化后的BET吸附曲线。
图2为实施例1过滤材料的SEM照片。
图3为实施例4口罩结构示意图。
具体实施方式
下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。
海泡石购自湘潭源远海泡石新材料股份有限公司，为600目水分散颗粒。
实施例1：
1)木纤维的活化：将木纤维(长度为30-40mm，黑龙江针叶林木质纤维)在氮气保护下加热至600℃，采用水蒸气流量为4g/min活化木纤维60min，保持在氮气气氛下冷却，备用。
参见图1，活化后的木纤维表面细孔孔径在20-20nm之间。
2)取聚丙烯纤维(3-20mm长的纤维)，20g加入到4L水中，并分别加入4g，8g，12g，15g壳聚糖，经搅拌后形成分散均匀的纤维浆悬浊液，加入40g活化后的木纤维、并充分搅拌均匀。
3)用网格筛筛取上述混合悬浊液中的有机纤维，加入7g海泡石粉体，并充分混合均匀。
4)搅拌均匀后将附着有海泡石粉体的纤维捞出并抚平平铺，在常温下自然干燥24h，至湿度10％左右，将物料置于粘合膜(孔径3μm)上面，厚度约3-4mm。
壳聚糖在弱酸环境下可抑制细菌活性，且能够吸附重金属，对人体无毒副作用，优选用作口罩材料。本试验比较了壳聚糖2-15g的加入量，在捞出物料干燥过程中发现，壳聚糖用量达到15g会有结块、粉料不均匀的现象。后续试验在4-12g添加量下进行。
5)在10MPa压力下压制成厚度为1mm的薄片。样品SEM照片见图2，所得材料的孔隙率约为90％，纤维之间的大孔隙达100微米级。
材料过滤PM2.5污染物的性能试验采用重量法检测。试验装置包括PM10-PM5-PM2.5组合式多功能切割器(武汉市天虹仪表有限责任公司)、分析天平、恒温恒湿箱，检测时的环境温度30℃，环境湿度30-40％。用采样泵抽取体积100L的空气进入切割器，将空气动力学直径小于30μm的颗粒物切割分离，PM2.5颗粒随着气流经切割器的出口被阻留在已称重的过滤材料上。
截留大气颗粒物效率η＝,[(W1-W0)/W0]×100％
表1不同壳聚糖用量的过滤效果
壳聚糖用量 空气PM2.5含量(μg/m<sup>3</sup>) η
4g 357 81.2％
8g 354 88.5％
12g 386 84.9％
表1检测结果可知，本申请提出的材料可有效截留PM2.5污染物。虽然壳聚糖用量多有利于提高过滤性能，但达到12g时效果的提高并不显著，优选用量在7-9g(和水的比例为0.175-0.225份：100份)为宜。
实施例2
1)木纤维的活化同实施例1；
2)取聚酯纤维20g(长度为15-50mm)加入到4L水中，并加入8g壳聚糖，经搅拌后形成分散均匀的纤维浆悬浊液，加入40g活化后的木纤维，并充分搅拌均匀。
3)用网格筛筛取混合悬浊液中的有机纤维，加入7g海泡石粉体，并充分混合均匀。
4)搅拌均匀后将附着有海泡石粉体的纤维捞出并抚平平铺，在常温下自然干燥24h，至湿度10％左右，将物料置于粘合膜(涤纶粘合膜，孔径3μm)上面，厚度约4-5mm。
5)在10MPa压力下压制成厚度为1mm的薄片。
截留大气颗粒物效率η为88.2％。
实施例3
1)木纤维的活化同实施例1
2)取聚酯纤维10g、聚酯纤维10g，加入到4L水中，并加入8g壳聚糖，经搅拌后形成分散均匀的纤维浆悬浊液，加入40g活化后的木纤维并充分搅拌均匀。
3)用网格筛筛取混合悬浊液中的有机纤维，加入7g海泡石粉体，并充分混合均匀。
4)搅拌均匀后将附着有海泡石粉体的纤维捞出并抚平平铺，在常温下自然干燥24h，至湿度10％左右，将物料置于粘合膜上面，厚度约4-5mm。
5)在10MPa压力下压制成厚度为1mm的薄片。
截留大气颗粒物效率η为88.1％。
试验例
将实施例1(壳聚糖8g的样品)和实施例2、实施例3所得材料裁为长轴5cm的椭圆形，置于口罩夹层内(粘合膜朝外)，参见图3的结构。受试者为6名21-28岁的健康人员，带口罩时间为3小时。
在第一个小时时，各受试者均感觉舒适，在第2小时时，对实施例1材料所制口罩感觉舒适的比例为5/6，对实施例2和实施例3口罩感觉舒适的比例为6/6。在第3小时时，对实施例1材料所制口罩感觉舒适的比例为4/6，对实施例2和实施例3口罩感觉舒适的比例为6/6。通过对人体触感的比较，优选用聚丙烯纤维0-10份和聚酯纤维10-20质量份，木纤维30-50质量份的混合纤维为宜。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大气颗粒物过滤材料，其特征在于，包括纤维及附着于纤维上的吸附剂颗粒，所述纤维为聚丙烯纤维和聚酯纤维中的至少一种与木纤维和海藻纤维中的至少一种构成的组合；所述吸附剂颗粒为海泡石粉末和活性炭颗粒中的至少一种，所述吸附剂颗粒的质量为纤维质量的5-20％。
2.根据权利要求1所述的大气颗粒物过滤材料，其特征在于，所述大气颗粒物过滤材料的孔隙率为75-99.8％，孔径在2nm-100μm之间。
3.根据权利要求1所述的大气颗粒物过滤材料，其特征在于，所述纤维为聚丙烯纤维和/或聚酯纤维10-30质量份，木纤维10-50质量份，海藻纤维0-10质量份的混合纤维。
4.权利要求1-3任一项所述的大气颗粒物过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将聚丙烯纤维和/或聚酯纤维加入到水中，并加入助剂，其中水与助剂的质量比为100:(0.05-0.3)，经搅拌分散后成为均匀的纤维浆悬浊液，然后加入木纤维和/或海藻纤维，并充分搅拌均匀得到纤维混合悬浊液；所述助剂为表面活性剂、粘接剂、pH调节剂中的一种或多种；
2)用网格筛从步骤1)所制纤维混合悬浊液中捞出纤维混合物，与吸附剂颗粒充分混合均匀，所述吸附剂颗粒为海泡石粉末和/或活性炭颗粒；
3)将步骤2)得到的混合物铺在粘合膜上，在1-40MPa压力下压制成型。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述木纤维先经过活化处理：在氮气保护下将木纤维作活化处理，活化温度为500-700℃，使用的活化剂为水蒸汽，活化时间为20-70min，作为活化剂的水蒸汽与氮气混合，水蒸气流量为1-10g/min。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中聚丙烯纤维和聚酯纤维中的至少一种与木纤维和海藻纤维中的至少一种构成的组合在水中的加入质量比例为1-10％；步骤2)中所述海泡石粉末和/或活性炭颗粒的粒径为200目-2000目。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述表面活性剂为三聚磷酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠中的一种；所述粘接剂为壳聚糖、胍胶、田菁胶、海藻酸钠、聚马来酸酐、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇中的一种或多种；所述pH调节剂为乙酸、氨水、碳酸氢钠中的一种或二种。
8.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)为，将步骤2)得到的混合物干燥至含水率在8-20％之间，然后在10-20MPa压力下压制成型。
9.根据权利要求4-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，将步骤2)得到的混合物压制成为厚度0.1-2mm的片状。
10.用权利要求1-3任一项所述大气颗粒物过滤材料制成的口罩。
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