CN110833724B - 一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料及其制备方法，该过滤材料由改性聚四氟乙烯纤维和纤维A组成；所述改性聚四氟乙烯纤维为采用纳米二氧化硅颗粒填充改性聚四氟乙烯分散树脂后用膜裂纺丝法制备的聚四氟乙烯膜裂纤维；所述纤维A为聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维、聚苯硫醚纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、皮芯型双组份纤维等纤维中的一种或多种；所述改性聚四氟乙烯纤维和纤维A经开包混合、粗开松、混棉、精开松、梳理、铺网、热风粘合、冷却压光、电晕驻极制得具有双重驻极效果的热风非织造空气过滤材料；该材料具有摩擦起电驻极以及电晕驻极双重驻极效果。

Description

一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料及 其制备方法
技术领域
本发明涉及空气过滤技术领域，尤其是涉及一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料及其制备方法。
背景技术
随着经济的快速发展，空气污染对公众健康和环境造成严重威胁，已引起人们广泛关注。而可吸入颗粒物(PM)污染是空气污染最严重的类型之一，其中，PM2.5和PM10(指空气动力学直径分别小于2.5和10μm的颗粒物)可以穿透到呼吸系统，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病，甚至导致死亡。PM的来源主要包括二级硫、汽车尾气、化石燃料燃烧、道路粉尘、生物质燃烧、土壤粉尘和金属加工等，它是一个高度复杂的混合物，主要由烟尘、飞灰、硅酸盐、硫酸盐、硝酸盐、铵、微量金属、碳化合物等物质组成。研究表明，长期暴露于PM2.5和PM10会增加发病率和死亡率。当PM2.5日平均浓度每增加10微克/立方米，呼吸系统疾病的死亡风险就增加0.97％，心血管疾病的死亡风险增加的几率更高，为1.22％，心肺疾病死亡率和癌症死亡率分别升高6％和8％。此外，PM2.5极易吸附多环芳烃等有机污染物和重金属，使致癌、致畸、致突变的机率明显升高。
近年来，由于人们对PM污染的广泛关注，世界范围内对空气过滤材料的需求大幅度增加。空气过滤材料的首要目标是实现对颗粒物的有效过滤，因此各种材料和技术被发展以实现此目的。
驻极体空气过滤材料是一种市场应用较为普遍的过滤材料，相比于传统过滤材料主要依靠布朗运动、惯性碰撞、重力沉积以及截留等机械过滤机理来实现对颗粒物的过滤，驻极体过滤材料可以在机械过滤的基础上，借助静电吸引和静电诱导作用实现对粒径更小的颗粒物的有效捕集，从而进一步提高材料的过滤效果。
目前空气过滤材料驻极方法主要有静电纺丝法、电晕放电法以及摩擦起电法等，其中，静电纺丝材料虽可以借助于其超细的纤维直径、微小的孔径以及材料中的电场实现对颗粒物的有效捕集，但是其生产速度慢，且由于纤维堆砌紧密，使得它具有很高的压降以及较低的容尘量，实际应用时不利于减少能源损耗；此外，市场上常见的熔喷空气过滤材料，大部分是通过电晕放电驻极法制得，但是熔喷材料具有过滤阻力高、容尘量低、机械性能差等缺点，严重限制了其应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将改性聚四氟乙烯纤维和纤维A喂入至开松机进行粗开松，粗开松后的松散纤维在气流的作用下被输送至混棉机进行均匀混合，得到改性聚四氟乙烯纤维和纤维A的共混料，随后共混料被输送至精开松机进行精细开松；
步骤2：将步骤1中精细开松后的纤维经气流作用输送到喂棉机的气压棉箱中，随后纤维在压力作用下被输送至杂乱梳理机，经梳理机梳理后形成纤维高度杂乱排列的薄纤维网；
步骤3：将步骤2中的薄纤维网通过输网帘输送至铺网机铺叠，得到铺叠后的纤维网；
步骤4：将步骤3中铺叠后的纤维网依次喂入至热风穿透式粘合烘箱和脉冲式气流预冷却箱中，根据实际需要，使气流经热交换器加热后从纤维网一侧喷出，穿过纤维网后由另一侧的抽吸风机抽出，继续被加热器加热后再次输送至气流喷射区喷出，以此实现热空气循环工作，达到节约能耗的目的，同时根据实际需要，控制热风穿透式粘合烘箱中热气流的风压、纤维网的热风穿透道数以及脉冲式气流预冷却箱中气流的温度、风压、脉冲次数以及纤维网冷却道数，得到非织造空气过滤材料；
步骤5：将所述步骤4中的非织造空气过滤材料输送至冷却辊进行冷却压光处理，使产品结构进一步稳定并改善非织造空气过滤材料的表面质量；
步骤6：将所述步骤5中经冷却压光处理后的非织造空气过滤材料输送至驻极设备进行高压电晕驻极处理，最终得到具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料。
优选地，所述步骤1中的改性聚四氟乙烯纤维为采用纳米二氧化硅颗粒填充改性聚四氟乙烯分散树脂后用膜裂纺丝法制备的聚四氟乙烯膜裂纤维(参考专利CN201811177905)，其中，纳米二氧化硅颗粒的粒径为5～120nm，质量分数为0.1～8％，经纳米二氧化硅改性后的聚四氟乙烯膜裂纤维相比于未改性的纤维表面粗糙度明显增强，具有更优异的摩擦起电性能。
优选地，所述步骤1中的纤维A为聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维、聚苯硫醚纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、皮芯型双组份纤维等纤维中的一种或多种；所述改性聚四氟乙烯纤维和纤维A的共混料中，纤维A的质量分数为5～95％。
优选地，所述步骤3中铺叠后的纤维网的厚度为2～60mm。
优选地，所述步骤4中，热风穿透式粘合烘箱中的热气流为连续的垂直层流式热气流(如图1)，所述热气流的温度为100～300℃，所述热气流的风压为50～100N，所述纤维网的热风穿透道数为1～6道；所述脉冲式气流预冷却箱中的气流为间歇性的脉冲式气流(如图2)，所述脉冲式气流的温度为40～100℃，所述脉冲式气流的风压为50～120N，所述脉冲次数为10～120次/min，所述纤维网冷却道数为1～4道，所述非织造空气过滤材料的厚度为1～50mm，所述非织造空气过滤材料的面密度为10～800g/m2。
优选地，所述步骤6中，所述驻极设备主要包括高压电源发生器、针板电极和接地电极三部分，所述高压电源发生器的电压为负电压，所述针板电极与所述高压电源发生器相连，所述接地电极处于待驻极非织造空气过滤材料的下方，并接地；所述高压电晕驻极处理采用的驻极电压大小为20～150kV，驻极距离为3～20cm，驻极时间为2～120s。
本发明还提供了上述方法制备的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料。
综上所述，本发明具有如下优点：
(1)本发明是以改性聚四氟乙烯纤维和纤维A为原料，采用热风非织造材料加工工艺以及驻极技术制备具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的一种制备方法，通过本方法生产的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料可以生成、携带并长期储存大量电荷，从而基于机械过滤以及静电过滤机理，实现对微细颗粒物的有效捕集，同时它拥有很低的过滤阻力，可以在实际应用过程中达到节约能耗的效果。
(2)本发明所采用的纤维A由于熔点较低，在热风粘合过程中，其表面熔融后对纤维网起加固粘结作用，而聚四氟乙烯纤维的熔点高，受温度的影响小，纤维的理化性能几乎不会发生改变，且聚四氟乙烯表面具有突出的不粘性，因此聚四氟乙烯纤维之间以及聚四氟乙烯纤维与纤维A不会粘结到一起，最终使得制备的空气过滤材料强力较高，柔软性能好，蓬松度大，具有优良的透气性。
(3)本发明所采用的改性聚四氟乙烯膜裂纤维，经纳米二氧化硅颗粒填充改性后，纤维表面产生了大量沟槽和孔洞，比表面积增大，可以在过滤时对颗粒物进行有效的物理拦截；此外，由于独特的化学结构，聚四氟乙烯材料本身具有很强的电负性，很容易与其他材料摩擦产生电荷，本发明所采用的改性聚四氟乙烯纤维表面粗糙度相比于未改性的聚四氟乙烯纤维明显增强，其摩擦起电性能更加优良，因此在摩擦作用下可以产生更多的电荷。
(4)本发明所采用的改性聚四氟乙烯膜裂纤维，由于具有很高的比电阻，且纤维表面有大量微纳米孔洞以及沟槽，因此在电晕驻极以及后期使用过程中，可以更好的存储电荷，提高驻极效果，减缓电荷的衰退。
(5)本发明所采用的改性聚四氟乙烯纤维和纤维A，在开松、梳理的过程中，纤维之间以及纤维与设备之间会发生滑动摩擦，从而在纤维中产生摩擦电荷；在垂直层流式热气流处理过程中，纤维在气流的作用下因抖动、摆动等摩擦，在纤维间生成了许多摩擦电荷；在脉冲式气流预冷却过程中，较低温度的气流可以使熔融的纤维A之间发生固结粘合，从而可以防止纤维在脉冲式气流的作用下被冲散，同时，由于聚四氟乙烯纤维不会与纤维A发生粘结，因此在脉冲式气流的作用下，聚四氟乙烯纤维可以在固结的纤维A之间发生间歇性的抖动、摆动，产生大量的摩擦电荷。通过上述各种形式的摩擦，大量的摩擦电荷在空气过滤材料内产生，从而实现了对空气过滤材料的摩擦起电驻极。
(6)本发明制备的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料，具有摩擦起电驻极以及电晕驻极双重驻极效果，滤料内产生的大量电荷可以形成强烈的电场，基于静电吸附和静电诱导作用，滤料可以对颗粒物进行有效的过滤，尤其是对粒径小的颗粒物如PM2.5，吸附和捕集效果更加优异。
(7)本发明制备的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料，基于机械过滤与静电过滤机理，可以实现对颗粒物的有效捕集，具有过滤效率高，过滤阻力低以及使用寿命长等优点，具有良好的市场发展前景。
附图说明
图1是本发明的热风穿透式粘合烘箱中垂直层流式热气流示意图；
图2是本发明的脉冲式气流预冷却箱中脉冲式气流示意图；
其中：1-热风穿透式粘合烘箱，2-垂直层流式热气流，3-纤维网，4-脉冲式气流预冷却箱，5-脉冲式热气流。
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1
本实施例提供了一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、采用粒径为20nm，质量分数为2％的二氧化硅颗粒填充改性聚四氟乙烯分散树脂后，用膜裂纺丝法制备改性聚四氟乙烯膜裂纤维，随后以改性聚四氟乙烯纤维和聚酰胺纤维为原料，将二者按照40:60的质量比喂入至开松机进行粗开松，粗开松后的松散纤维在气流的作用下被输送至混棉机进行均匀混合，随后纤维被输送至精开松机进行精细开松；
步骤2、将所述步骤1中精细开松后的纤维经气流作用输送到喂棉机的气压棉箱中，随后纤维在压力作用下被输送至杂乱梳理机，经梳理机梳理后形成纤维高度杂乱排列的薄纤维网；
步骤3、将所述步骤2中的薄纤维网通过输网帘输送至铺网机，铺叠成厚度为20mm的纤维网；
步骤4、将所述步骤3中铺叠后的纤维网依次喂入至热风穿透式粘合烘箱和脉冲式气流预冷却箱中，使气流从纤维网一侧喷出，穿过纤维网后由另一侧的抽吸风机抽出，继续被加热器加热后再次输送至气流喷射区喷出，以此实现热空气循环工作，达到节约能耗的目的，同时根据实际需要，选择热风穿透式粘合烘箱中热气流的温度为180℃，风压为70N，选择纤维网的热风穿透道数为2道，选择脉冲式气流预冷却箱中气流的温度为50℃，风压为80N，脉冲次数为50次/min，选择纤维网冷却道数为2道，制得厚度为8mm，面密度为160g/m2的非织造空气过滤材料；
步骤5、将所述步骤4中的非织造空气过滤材料输送至冷却辊进行冷却压光处理，使产品结构进一步稳定并改善非织造空气过滤材料的表面质量；
步骤6、将所述步骤5中经冷却压光处理后的非织造空气过滤材料输送至驻极设备进行高压电晕驻极处理，驻极电压采用负电压，电压大小为90kV，驻极距离为10cm，驻极时间为30s，最终得到具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料。
实施例2
本实施例提供了一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、采用粒径为50nm，质量分数为1％的二氧化硅颗粒填充改性聚四氟乙烯分散树脂后，用膜裂纺丝法制备改性聚四氟乙烯膜裂纤维，随后以改性聚四氟乙烯纤维和ES纤维为原料，将二者按照25:75的质量比喂入至开松机进行粗开松，粗开松后的松散纤维在气流的作用下被输送至混棉机进行均匀混合，随后纤维被输送至精开松机进行精细开松；
步骤2、将所述步骤1中精细开松后的纤维经气流作用输送到喂棉机的气压棉箱中，随后纤维在压力作用下被输送至杂乱梳理机，经梳理机梳理后形成纤维高度杂乱排列的薄纤维网；
步骤3、将所述步骤2中的薄纤维网通过输网帘输送至铺网机，铺叠成厚度为15mm的纤维网；
步骤4、将所述步骤3中铺叠后的纤维网依次喂入至热风穿透式粘合烘箱和脉冲式气流预冷却箱中，使气流从纤维网一侧喷出，穿过纤维网后由另一侧的抽吸风机抽出，继续被加热器加热后再次输送至气流喷射区喷出，以此实现热空气循环工作，达到节约能耗的目的，同时根据实际需要，选择热风穿透式粘合烘箱中热气流的温度为125℃，风压为60N，选择纤维网的热风穿透道数为2道，选择脉冲式气流预冷却箱中气流的温度为40℃，风压为80N，脉冲次数为50次/min，选择纤维网冷却道数为2道，制得厚度为6mm，面密度为110g/m2的非织造空气过滤材料；
步骤5、将所述步骤4中的非织造空气过滤材料输送至冷却辊进行冷却压光处理，使产品结构进一步稳定并改善非织造空气过滤材料的表面质量；
步骤6、将所述步骤5中经冷却压光处理后的非织造空气过滤材料输送至驻极设备进行高压电晕驻极处理，驻极电压采用负电压，电压大小为60kV，驻极距离为10cm，驻极时间为30s，最终得到具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料。
实施例3
本实施例提供了一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、采用粒径为50nm，质量分数为2.5％的二氧化硅颗粒填充改性聚四氟乙烯分散树脂后，用膜裂纺丝法制备改性聚四氟乙烯膜裂纤维，随后以改性聚四氟乙烯纤维和聚丙烯纤维、聚酯纤维为原料，将三者按照15:75:10的质量比喂入至开松机进行粗开松，粗开松后的松散纤维在气流的作用下被输送至混棉机进行均匀混合，随后纤维被输送至精开松机进行精细开松；
步骤2、将所述步骤1中精细开松后的纤维经气流作用输送到喂棉机的气压棉箱中，随后纤维在压力作用下被输送至杂乱梳理机，经梳理机梳理后形成纤维高度杂乱排列的薄纤维网；
步骤3、将所述步骤2中的薄纤维网通过输网帘输送至铺网机，铺叠成厚度为12mm的纤维网；
步骤4、将所述步骤3中铺叠后的纤维网依次喂入至热风穿透式粘合烘箱和脉冲式气流预冷却箱中，使气流从纤维网一侧喷出，穿过纤维网后由另一侧的抽吸风机抽出，继续被加热器加热后再次输送至气流喷射区喷出，以此实现热空气循环工作，达到节约能耗的目的，同时根据实际需要，选择热风穿透式粘合烘箱中热气流的温度为140℃，风压为65N，选择纤维网的热风穿透道数为2道，选择脉冲式气流预冷却箱中气流的温度为50℃，风压为70N，脉冲次数为70次/min，选择纤维网冷却道数为2道，制得厚度为4mm，面密度为90g/m2的非织造空气过滤材料；
步骤5、将所述步骤4中的非织造空气过滤材料输送至冷却辊进行冷却压光处理，使产品结构进一步稳定并改善非织造空气过滤材料的表面质量；
步骤6、将所述步骤5中经冷却压光处理后的非织造空气过滤材料输送至驻极设备进行高压电晕驻极处理，驻极电压采用负电压，电压大小为70kV，驻极距离为10cm，驻极时间为30s，最终得到具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料。

Claims (7)

1.一种具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将改性聚四氟乙烯纤维和纤维A喂入至开松机进行粗开松，粗开松后的松散纤维在气流的作用下被输送至混棉机进行均匀混合，得到改性聚四氟乙烯纤维和纤维A的共混料，随后共混料被输送至精开松机进行精细开松；
步骤2：将步骤1中精细开松后的纤维经气流作用输送到喂棉机的气压棉箱中，随后纤维在压力作用下被输送至杂乱梳理机，经梳理机梳理后形成纤维高度杂乱排列的薄纤维网；
步骤3：将步骤2中的薄纤维网通过输网帘输送至铺网机铺叠，得到铺叠后的纤维网；
步骤4：将步骤3中铺叠后的纤维网依次喂入至热风穿透式粘合烘箱和脉冲式气流预冷却箱中，根据实际需要，控制热风穿透式粘合烘箱中热气流的风压、纤维网的热风穿透道数以及脉冲式气流预冷却箱中气流的温度、风压、脉冲次数以及纤维网冷却道数，得到非织造空气过滤材料；通过上述各种形式的摩擦，大量的摩擦电荷在空气过滤材料内产生，从而实现了对空气过滤材料的摩擦起电驻极；
步骤5：将所述步骤4中的非织造空气过滤材料输送至冷却辊进行冷却压光处理；
步骤6：将所述步骤5中经冷却压光处理后的非织造空气过滤材料输送至驻极设备进行高压电晕驻极处理，最终得到具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料。
2.如权利要求1所述的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的改性聚四氟乙烯纤维为采用纳米二氧化硅颗粒填充改性聚四氟乙烯分散树脂后用膜裂纺丝法制备的聚四氟乙烯膜裂纤维，其中，纳米二氧化硅颗粒的粒径为5 ~ 120nm，质量分数为0.1~ 8％。
3.如权利要求1所述的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的纤维A为聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维、聚苯硫醚纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、皮芯型双组份纤维中的一种或多种；所述改性聚四氟乙烯纤维和纤维A的共混料中，纤维A的质量分数为5~ 95%。
4.如权利要求1所述的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中铺叠后的纤维网的厚度为2 ~ 60mm。
5.如权利要求1所述的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，热风穿透式粘合烘箱中的热气流为连续的垂直层流式热气流，所述热气流的温度为100 ~ 300℃，所述热气流的风压为50 ~ 100N，所述纤维网的热风穿透道数为1 ~ 6道；所述脉冲式气流预冷却箱中的气流为间歇性的脉冲式气流，所述脉冲式气流的温度为40 ~ 100℃，所述脉冲式气流的风压为50 ~ 120N，所述脉冲次数为10 ~120次/min，所述纤维网冷却道数为1 ~ 4道，所述非织造空气过滤材料的厚度为1 ~ 50mm，所述非织造空气过滤材料的面密度为10 ~ 800g/m2。
6.如权利要求1所述的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，所述驻极设备主要包括高压电源发生器、针板电极和接地电极三部分，所述高压电源发生器的电压为负电压，所述针板电极与所述高压电源发生器相连，所述接地电极处于待驻极非织造空气过滤材料的下方，并接地；所述高压电晕驻极处理采用的驻极电压大小为20 ~ 150kV，驻极距离为3 ~ 20cm，驻极时间为2 ~ 120s。
7.权利要求1~6任一项所述方法制备的具有双重驻极效果的聚四氟乙烯非织造空气过滤材料。
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