CN110876871A - 一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，包括以下步骤：制备永磁体基底：准备具有交叉网孔的金属网，除杂干燥后，在金属网下表面粘结永磁体颗粒；制备中间隔层：在金属网上表面依次铺设一层热塑性聚氨酯橡胶膜和聚丙烯丝网，热压粘合；调制纺丝液：将聚乙烯吡咯烷酮粉末溶解在无水乙醇中配置成聚乙烯吡咯烷酮溶液，再加入磁性纳米颗粒，搅拌后转移至密封罐中，将密封罐放置于温水中超声波震荡；制备纳米纤维层：将纺丝液装入自动注射器内，开启自动注射器，使其向聚丙烯丝网喷出纺丝液，纺丝液最终固化形成纳米纤维层；清洗及干燥。通过本发明制备得到的复合滤料在保持较低阻力的同时能够高效的除去空气中的纳米金属氧化物颗粒。

Description

一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法
技术领域
本发明涉及空气净化技术领域，具体涉及一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法。
背景技术
随着对职业健康安全的重视，人们已经逐渐意识到空气中的悬浮粉尘对人体的危害，其中以粒径较小，活性较高的纳米粉尘颗粒对人体呼吸系统造成的损伤最大。而金属氧化物颗粒作为最常见的纳米粉尘颗粒广泛存在于生产作业场所。例如，在钢铁冶炼车间、金属制品抛光车间、地铁隧道(列车车轮与轨道的摩擦)、机械的焊接操作中都会产生大量的高温金属蒸汽，它们冷却后以氧化物颗粒的形式悬浮在周围空气环境中，在局部空间内具有极高的粉尘浓度。由于金属氧化物颗粒本身粒径较小，毒性较高，进入人体后容易沉积在肺部组织中，造成细胞损伤乃至全身性的心血管疾病。
目前，去除空气中的纳米颗粒物主要是依靠过滤的技术手段，其中过滤材料是过滤技术的核心，材料的优劣往往决定了空气净化的效果。传统的纤维过滤材料是依靠纤维的机械作用机理来实现颗粒物的拦截，这意味着纤维排列得更密集、孔隙更小，会获得更高的过滤效率，但是相应的也会增加过滤阻力，而过滤阻力的增加就代表会消耗更多的电力能源，也会减小单位时间内的净化风量，导致过滤器净化能力的降低。因此，出于经济性能和净化风量等方面的考虑，常规过滤材料并不能有效的过滤小粒径的金属氧化物粉尘颗粒。
发明内容
本发明的目的在于提供一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，通过该方法制备得到的复合滤料在保持较低阻力的同时能够高效的除去空气中的纳米金属氧化物颗粒。
为实现上述目的，一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备永磁体基底：准备具有交叉网孔的金属网，去除表面杂质并干燥后，在金属网的下表面粘结永磁体颗粒，粘结点为交叉网孔的交接处；
(2)制备中间隔层：在金属网的上表面依次铺设一层热塑性聚氨酯橡胶膜和一层聚丙烯丝网；采用热压方式将二者压合在一起制备成表面覆有聚丙烯丝网的永磁体基底；
(3)调制纺丝液：将聚乙烯吡咯烷酮粉末溶解在无水乙醇中配置成聚乙烯吡咯烷酮溶液，然后将磁性纳米颗粒加入到聚乙烯吡咯烷酮溶液中，搅拌后将其转移至密封罐中，再将密封罐放置于20-30℃的温水中，超声波震荡后调制成均匀分散的纺丝液；
(4)制备纳米纤维层：将步骤(3)调制的纺丝液装入自动注射器内，将步骤(2)制备的永磁体基底粘结有聚丙烯丝网的一面正对着放置于距离自动注射器针头15-20cm的下方位置，开启自动注射器，使其向聚丙烯丝网喷出纺丝液，纺丝液最终固化成纳米纤维附着在聚丙烯丝网表面，形成纳米纤维层；
(5)清洗及干燥：当纳米纤维表层完全覆盖在聚丙烯丝网表面后，将其放入有机溶剂中进行清洗，再放入真空干燥箱中进行充分干燥，制成复合滤料；所述有机溶剂为二甲苯、丙酮、乙醚中的一种。
优选的，步骤(3)中聚乙烯吡咯烷酮粉末与无水乙醇的质量比为(12-15)：100；磁性纳米颗粒与聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量比为(10-15)：100。
优选的，步骤(2)中热塑性聚氨酯橡胶膜的厚度为1-2mm，聚丙烯丝网的厚度为1-2mm，聚丙烯丝网目数为45-50目；热压条件为：热压温度为110-120℃、表面压力为2-3MPa、热压时间为3-5min。
优选的，步骤(1)中金属网材质为铁、镍、钴中的一种或其合金，厚度为2-3mm，交叉网孔的面积大小为0.5-0.8cm2；所述永磁体颗粒的材质为钕铁硼磁铁，颗粒直径大小为5-8mm。
优选的，步骤(3)中磁性纳米颗粒的材质为Fe3O4，粒径为40-80nm。
优选的，步骤(3)中搅拌时间为30-40min，超声波震荡时间为30～40min，超声波震荡时间为20～30min，用于超声波震荡的超声波，频率设置为35-45kHz，震荡密度为8000～10000W/m2。
优选的，步骤(3)中调制得到的纺丝液的表面张力为22.57-22.62mN/m，粘度为0.53-0.55Pa·s。
优选的，步骤(4)中调制的纺丝液装入20-25ml自动注射器内，自动注射器针头处与高压发生器的正极连接，高压发生器向自动注射器针头处施加直流电压；自动注射器针头内径为0.3-0.41mm，高压发生器在自动注射器针头处所施加的直流电压为14-16kV，自动注射器喷出纺丝液的速度为3-5ml/h。
优选的，步骤(4)中纳米纤维层中的纤维分布为经纬交叉网状结构，纤维直径为1-2.5μm，纳米纤维层的平均厚度为0.5-0.8mm，平均孔径1.0-2.1μm。
优选的，步骤(5)中用于清洗的有机溶剂温度为20-30℃，真空干燥箱设置的温度为50-70℃，干燥时间为24-26h。
本发明通过表层嵌有磁性纳米颗粒的纳米纤维层捕集空气中的金属氧化物颗粒，增强了对颗粒物的磁吸力作用，大幅提升了对纳米级微粒的过滤效率，且不增加额外的过滤阻力，具有优异的空气净化效果和出色的经济性；本发明根据部分纳米金属氧化物具有磁性的特点，制作出具有磁吸力的多层复合滤料来对其进行拦截过滤，在不改变纤维排列密度、不提高过滤阻力的前提下，提高滤料的过滤效果；复合滤料本身容尘性能强，在表面负载较多颗粒后，也不会产生较大的压降升高，能够长时间保持过滤性能的稳定，因此其使用寿命更长，适用于钢铁冶炼、机械焊接、地铁隧道等含有金属氧化物粉尘颗粒较多的作业场所。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备永磁体基底：准备厚度为2mm，交叉网孔的面积大小为0.5cm2的金属网，金属网材质为铁、镍、钴中的一种或其合金，用无水乙醇去除表面杂质并干燥后，在金属网的下表面粘结直径为5mm的钕铁硼磁铁颗粒，粘结点为交叉网孔交接处；
(2)制备中间隔层：在金属网的上表面放置一层厚度为1mm的热塑性聚氨酯橡胶膜，然后在热塑性聚氨酯橡胶膜的正上方铺设一层丝网目数为50目、厚度为1mm的聚丙烯丝网，热塑性聚氨酯薄膜的作用是将聚丙烯丝网与金属网粘结在一起；在120℃和2MPa的表面压力下将聚丙烯丝网与金属网压合在一起制备成表面覆有聚丙烯丝网的永磁体基底，热压时间为5min；聚丙烯丝网的作用是作为基布为纺丝液即纳米纤维层提供支撑作用；
(3)调制纺丝液：将聚乙烯吡咯烷酮粉末溶解在无水乙醇中配置成聚乙烯吡咯烷酮溶液，聚乙烯吡咯烷酮粉末与无水乙醇的质量比为12：100；然后将粒径为40nm的磁性Fe3O4纳米颗粒加入到聚乙烯吡咯烷酮溶液中，磁性Fe3O4纳米颗粒与聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量比为12：100，搅拌30min后将其倒入密封罐中，再将密封罐放置于20℃的温水中，使用频率为35kHz，振荡密度为8000W/m2的超声波对溶液进行震荡，震荡20min后调制成均匀分散的纺丝液；调制得到的纺丝液的表面张力为22.57mN/m，粘度为0.53Pa·s；进行充分搅拌和震荡是为了防止磁性纳米颗粒在溶液中聚集，使其分布更加均匀；选择磁性Fe3O4纳米颗粒的原因是因为它具有较好的铁磁性，在永磁体的作用下能够产生更强的磁场，且比其他金属氧化物颗粒的价格更低；
(4)制备纳米纤维层：将步骤(3)调制的纺丝液装入20ml自动注射器内，自动注射器使用内径为0.3mm针头，针头优选不锈钢材质，这样不易滞留纺丝液；自动注射器针头处与高压发生器的正极连接，高压发生器向自动注射器针头处施加14kV的直流电压；将步骤(2)制成的永磁体基底粘结有聚丙烯丝网的一面正对着放置于距离自动注射器针头15cm的下方位置，开启自动注射器，以3ml/h的挤出速度向聚丙烯丝网喷出纺丝液，纺丝液最终会固化成纳米纤维附着在基底表面，形成纳米纤维层；纳米纤维层中的纤维分布为经纬交叉网状结构，纤维直径为1μm，纳米纤维层的平均厚度为0.5mm，平均孔径1.0μm；
(5)清洗及干燥：当纳米纤维表层完全覆盖在基底表面后，将其取出放入装有二甲苯溶剂中恒温水浴箱中进行清洗，溶剂温度控制在30℃，之后放入真空干燥箱中，在50℃的条件下干燥26h，制成复合滤料；
对本实施例制备所得复合滤料进行实验测试。设置复合滤料的过滤风速为2.5cm/s，测得复合滤料两侧的压差为55.3Pa；滤料的饱和磁化强度测得为6.02emu/g；使用粒径为300nm的Fe2O3单分散相颗粒作为测试粉尘，将复合滤料上游入口粉尘数浓度调整为300000个/cm3，含尘气流经过复合滤料过滤后检测到粉尘数浓度为14580个/cm3，得出复合滤料过滤效率为95.14％，对应的品质因子为0.0547；对滤料进行清灰测试，设置清灰时的喷吹压力为0.4MPa，喷吹时间为3s，测得前十次清灰滤料的平均再生效率为92.5％；对复合滤料进行容尘测试，在保持过滤风速不变的情况下，测得滤料表面颗粒累计量为3g/m3的条件下，测得滤料过滤阻力增长到78.8Pa，增长率为42.5％。
实施例2
一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备永磁体基底：准备厚度为3mm，交叉网孔的面积大小为0.6cm2的金属网，金属网材质为铁、镍、钴中的一种或其合金，用无水乙醇去除表面杂质并干燥后，在金属网的下表面粘结直径为8mm的钕铁硼磁铁颗粒，粘结点为交叉网孔交接处；
(2)制备中间隔层：在金属网的上表面放置一层厚度为2mm的热塑性聚氨酯橡胶膜，然后在热塑性聚氨酯橡胶膜的正上方铺设一层丝网目数为50目、厚度为2mm的聚丙烯丝网，热塑性聚氨酯薄膜的作用是将聚丙烯丝网与金属网粘结在一起；在120℃和2MPa的表面压力下将聚丙烯丝网与金属网压合在一起制备成表面覆有聚丙烯丝网的永磁体基底，热压时间为5min；聚丙烯丝网的作用是作为基布为纺丝液即纳米纤维层提供支撑作用；
(3)调制纺丝液：将聚乙烯吡咯烷酮粉末溶解在无水乙醇中配置成聚乙烯吡咯烷酮溶液，聚乙烯吡咯烷酮粉末与无水乙醇的质量比为15：100；然后将粒径为70nm的磁性Fe3O4纳米颗粒加入到聚乙烯吡咯烷酮溶液中，磁性Fe3O4纳米颗粒与聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量比为15：100，搅拌40min后将其倒入密封罐中，再将密封罐放置于30℃的温水中，使用频率为45kHz，振荡密度为10000W/m2的超声波对溶液进行震荡，震荡20min后调制成均匀分散的纺丝液；调制得到的纺丝液的表面张力为22.62mN/m，粘度为0.55Pa·s；进行充分搅拌和震荡是为了防止磁性纳米颗粒在溶液中聚集，使其分布更加均匀；选择磁性Fe3O4纳米颗粒的原因是因为它具有较好的铁磁性，在永磁体的作用下能够产生更强的磁场，且比其他金属氧化物颗粒的价格更低；
(4)制备纳米纤维层：将步骤(3)调制的纺丝液装入20ml自动注射器内，自动注射器使用内径为0.3mm针头，针头优选不锈钢材质，这样不易滞留纺丝液；自动注射器针头处与高压发生器的正极连接，高压发生器向自动注射器针头处施加16kV的直流电压；将步骤(2)制成的永磁体基底粘结有聚丙烯丝网的一面正对着放置于距离自动注射器针头20cm的下方位置，开启自动注射器，以3ml/h的挤出速度向聚丙烯丝网喷出纺丝液，纺丝液最终会固化成纳米纤维附着在基底表面，形成纳米纤维层；纳米纤维层中的纤维分布为经纬交叉网状结构，纤维直径为1.5μm，纳米纤维层的平均厚度为0.7mm，平均孔径1.7μm；
(5)清洗及干燥：当纳米纤维表层完全覆盖在基底表面后，将其取出放入装有乙醚溶剂中恒温水浴箱中进行清洗，溶剂温度控制在20℃，之后放入真空干燥箱中，在60℃的条件下干燥25h，制成复合滤料；
对本实施例制备所得复合滤料进行实验测试。设置复合滤料的过滤风速为2.5cm/s，测得复合滤料两侧的压差为59.7Pa；滤料的饱和磁化强度测得为8.54emu/g；使用粒径为300nm的Fe2O3单分散相颗粒作为测试粉尘，将复合滤料上游入口粉尘数浓度调整为300000个/cm3，含尘气流经过复合滤料过滤后检测到粉尘数浓度为7260个/cm3，得出复合滤料过滤效率为97.58％，对应的品质因子为0.0623；对滤料进行清灰测试，设置清灰时的喷吹压力为0.4MPa，喷吹时间为3s，测得前十次清灰滤料的平均再生效率为89.8％；对复合滤料进行容尘测试，在保持过滤风速不变的情况下，测得滤料表面颗粒累计量为3g/m3的条件下，测得滤料过滤阻力增长到85.8Pa，增长率为43.7％。
实施例3
一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备永磁体基底：准备厚度为2mm，交叉网孔的面积大小为0.8cm2的金属网，金属网材质为铁、镍、钴中的一种或其合金，用无水乙醇去除表面杂质并干燥后，在金属网的下表面粘结直径为5mm的钕铁硼磁铁颗粒，粘结点为交叉网孔交接处；
(2)制备中间隔层：在金属网的上表面放置一层厚度为1mm的热塑性聚氨酯橡胶膜，然后在热塑性聚氨酯橡胶膜的正上方铺设一层丝网目数为45目、厚度为1mm的聚丙烯丝网，热塑性聚氨酯薄膜的作用是将聚丙烯丝网与金属网粘结在一起；在110℃和3MPa的表面压力下将聚丙烯丝网与金属网压合在一起制备成表面覆有聚丙烯丝网的永磁体基底，热压时间为4min；聚丙烯丝网的作用是作为基布为纺丝液即纳米纤维层提供支撑作用；
(3)调制纺丝液：将聚乙烯吡咯烷酮粉末溶解在无水乙醇中配置成聚乙烯吡咯烷酮溶液，聚乙烯吡咯烷酮粉末与无水乙醇的质量比为12：100；然后将粒径为80nm的磁性Fe3O4纳米颗粒加入到聚乙烯吡咯烷酮溶液中，磁性Fe3O4纳米颗粒与聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量比为10：100，搅拌30min后将其倒入密封罐中，再将密封罐放置于20℃的温水中，使用频率为35kHz，振荡密度为8000W/m2的超声波对溶液进行震荡，震荡30min后调制成均匀分散的纺丝液；调制得到的纺丝液的表面张力为22.59mN/m，粘度为0.54Pa·s；进行充分搅拌和震荡是为了防止磁性纳米颗粒在溶液中聚集，使其分布更加均匀；选择磁性Fe3O4纳米颗粒的原因是因为它具有较好的铁磁性，在永磁体的作用下能够产生更强的磁场，且比其他金属氧化物颗粒的价格更低；
(4)制备纳米纤维层：将步骤(3)调制的纺丝液装入30ml自动注射器内，自动注射器使用内径为0.41mm针头，针头优选不锈钢材质，这样不易滞留纺丝液；自动注射器针头处与高压发生器的正极连接，高压发生器向自动注射器针头处施加16kV的直流电压；将步骤(2)制成的永磁体基底粘结有聚丙烯丝网的一面正对着放置于距离自动注射器针头15cm的下方位置，开启自动注射器，以5ml/h的挤出速度向聚丙烯丝网喷出纺丝液，纺丝液最终会固化成纳米纤维附着在基底表面，形成纳米纤维层；纳米纤维层中的纤维分布为经纬交叉网状结构，纤维直径为2.5μm，纳米纤维层的平均厚度为0.8mm，平均孔径2.1μm；
(5)清洗及干燥：当纳米纤维表层完全覆盖在基底表面后，将其取出放入装有丙酮溶剂中恒温水浴箱中进行清洗，溶剂温度控制在25℃，之后放入真空干燥箱中，在60℃的条件下干燥24h，制成复合滤料；
对本实施例制备所得复合滤料进行实验测试。设置复合滤料的过滤风速为2.5cm/s，测得复合滤料两侧的压差为46.7Pa；滤料的饱和磁化强度测得为5.15emu/g；使用粒径为300nm的Fe2O3单分散相颗粒作为测试粉尘，将复合滤料上游入口粉尘数浓度调整为300000个/cm3，含尘气流经过复合滤料过滤后检测到粉尘数浓度为19640个/cm3，得出复合滤料过滤效率为93.45％，对应的品质因子为0.0654；对滤料进行清灰测试，设置清灰时的喷吹压力为0.4MPa，喷吹时间为3s，测得前十次清灰滤料的平均再生效率为94.8％；对复合滤料进行容尘测试，在保持过滤风速不变的情况下，测得滤料表面颗粒累计量为3g/m3的条件下，测得滤料过滤阻力增长到64.9Pa，增长率为39.0％。
由上述分析可知，三个实施例制得的复合滤料经过测试，对纳米金属氧化物颗粒都具有较高的过滤效率，且过滤阻力保持一个较低水平；其中实施例2制备得到的复合滤料的过滤效率最高，适用于对颗粒物排放浓度标准要求更严格的作业场所；实施例3制得的复合滤料虽然过滤效率低于实施例1和实施例2，但具有更小的过滤阻力，且滤料的品质因子最高，容尘后的阻力增长率较低，说明该滤料的经济性能更好，使用寿命更长。

Claims (10)

1.一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备永磁体基底：准备具有交叉网孔的金属网，去除表面杂质并干燥后，在金属网的下表面粘结永磁体颗粒，粘结点为交叉网孔的交接处；
(2)制备中间隔层：在金属网的上表面依次铺设一层热塑性聚氨酯橡胶膜和一层聚丙烯丝网；采用热压方式将二者压合在一起制备成表面覆有聚丙烯丝网的永磁体基底；
(3)调制纺丝液：将聚乙烯吡咯烷酮粉末溶解在无水乙醇中配置成聚乙烯吡咯烷酮溶液，然后将磁性纳米颗粒加入到聚乙烯吡咯烷酮溶液中，搅拌后将其转移至密封罐中，再将密封罐放置于20-30℃的温水中，超声波震荡后调制成均匀分散的纺丝液；
(4)制备纳米纤维层：将步骤(3)调制的纺丝液装入自动注射器内，将步骤(2)制备的永磁体基底粘结有聚丙烯丝网的一面正对着放置于距离自动注射器针头15-20cm的下方位置，开启自动注射器，使其向聚丙烯丝网喷出纺丝液，纺丝液最终固化成纳米纤维附着在聚丙烯丝网表面，形成纳米纤维层；
(5)清洗及干燥：当纳米纤维表层完全覆盖在聚丙烯丝网表面后，将其放入有机溶剂中进行清洗，再放入真空干燥箱中进行充分干燥，制成复合滤料；所述有机溶剂为二甲苯、丙酮、乙醚中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中聚乙烯吡咯烷酮粉末与无水乙醇的质量比为(12-15)：100；磁性纳米颗粒与聚乙烯吡咯烷酮溶液的质量比为(10-15)：100。
3.根据权利要求1或2所述的一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中热塑性聚氨酯橡胶膜的厚度为1-2mm，聚丙烯丝网的厚度为1-2mm，聚丙烯丝网目数为45-50目；热压条件为：热压温度为110-120℃、表面压力为2-3MPa、热压时间为3-5min。
4.根据权利要求1或2所述的一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中金属网材质为铁、镍、钴中的一种或其合金，厚度为2-3mm，交叉网孔的面积大小为0.5-0.8cm2；所述永磁体颗粒的材质为钕铁硼磁铁，颗粒直径大小为5-8mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中磁性纳米颗粒的材质为Fe3O4，粒径为40-80nm。
6.根据权利要求1或2所述的一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中搅拌时间为30-40min，超声波震荡时间为20～30min，用于超声波震荡的超声波，频率设置为35-45kHz，震荡密度为8000～10000W/m2。
7.根据权利要求1或2所述的一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中调制得到的纺丝液的表面张力为22.57-22.62mN/m，粘度为0.53-0.55Pa·s。
8.根据权利要求1或2所述的一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中调制的纺丝液装入20-25ml自动注射器内，自动注射器针头处与高压发生器的正极连接，高压发生器向自动注射器针头处施加直流电压；自动注射器针头内径为0.3-0.41mm，高压发生器在自动注射器针头处所施加的直流电压为14-16kV，自动注射器喷出纺丝液的速度为3-5ml/h。
9.根据权利要求1或2所述的一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中纳米纤维层中的纤维分布为经纬交叉网状结构，纤维直径为1-2.5μm，纳米纤维层的平均厚度为0.5-0.8mm，平均孔径1.0-2.1μm。
10.根据权利要求1或2所述的一种过滤纳米金属氧化物粉尘颗粒复合滤料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中用于清洗的有机溶剂温度为20-30℃，真空干燥箱设置的温度为50-70℃，干燥时间为24-26h。
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