CN111691226A - 一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于造纸技术领域，涉及一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料及其制备方法，纳米纤维覆膜纸基过滤材料，包括原纸层和由涂层液涂布烘干而成的涂布层。所述原纸层为原纸，原纸的物理性质如下：定量为：20‑40g/m2，抗张强度为：0.3KN/m‑1.0KN/m；湿强度为：15％‑30％；过滤效率为：50％‑80％；呼吸阻力为：30‑70Pa；平均孔径为：30‑55μm；所述纳米纤维覆膜纸基过滤材料，感应静电压550‑920V，过滤效率>90％。相对于聚丙烯熔喷布更加环保，符合目前节能减排、环境友好的政策要求。

Description

一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料及其制备方法，特别是一种静电压大，呼吸 阻力低，过滤效率高的纸基过滤新材料及其制备方法，属于造纸技术领域。
背景技术
我国是工业生产大国，随着我国人们生活水平的提高，人们对于自身的健康和环境的要 求越来越高。但我国是一个发展中的大国，正处于加速发展的工业化时期，钢铁、煤炭、水 泥、电力等的产量及消费都已居世界前列。由于这些重工业，能源工业，原材料工业都属于 落后工业，相应的仪器和设备都非常落后，给环境和我们的身心健康带来严重的影响。空气 粉尘和细菌是两种最严重的污染物，尤其是在公共场所，或者通风不好的室内(病房和公共 设施场所)。所以口罩就显得尤为重要。
熔喷布的主要原料是聚丙烯，它是一种半结晶的热塑性塑料，具有较高的耐冲击性，机 械性质强韧，抗多种有机溶剂和酸碱腐蚀。在工业界有广泛的应用，是平常常见的高分子材 料之一。据统计：废塑料中聚丙烯所占比例约为:18％。可见，废塑料中聚丙烯占有相当大 的比重。所以，聚丙烯材料的回收处理成了大家关注的热点。以往我国的废旧口罩的处理方 法主要是随同其它垃圾一起掩埋、也有的随意丢弃于自然环境中。这些方法不仅浪费资源， 重要的是对环境造成极大的污染。由于聚丙烯材料自身分子结构的特点，分子链中存在大量 的叔碳原子，此种原子在受到光、氧、热的作用会不同程度的发生老化降解，产生短的碳链 被氧化后会释放醛酮类的易挥发性物质，对人体造成伤害。
中国专利文献CN 109701504 A(申请号201811547342.X)公开了一种石墨烯抑菌口罩 过滤材料及其制备方法和应用，该方法采用双螺旋挤出机将配料混合生产母粒法制得抗菌初 级母料，并结合熔喷工艺有效削弱了石墨烯纳米片的团聚现象，石墨烯通过片层的叠加或搭 接形成了一种具有一定形态的宏观结构，由于石墨烯在组装成宏观体纤维后不仅增强了材料 的结构强度，还在石墨烯片层结构间起到了柔性支撑体的作用，减少了石墨烯片层间的聚集， 更好地发挥了石墨烯的力学性能、高热导率、高速的电子迁移率及良好的吸附能力。虽然该 方法所制备的材料具有十分优异的抑菌效果，但是熔喷母粒主体为聚丙烯材料。
中国专利文献CN 104289042 A(申请号201410452788.X)公开了一种静电纺纳米纤维 驻极过滤材料及其制备方法，在静电纺丝过程中通过控制聚合物溶液组分与温度、纳米纤维 成型“快速冷却”过程，一步成型制备纤维间无粘连、蓬松的三维网状互通结构的高效、低阻 纳米纤维驻极过滤材料。但是静电纺丝存在产量小、物理机械性能较差等方面的限制，其所 得的纳米纤维材料应用主要侧重于高附加值、低用量、高精密度的相关领域。
CN201610034279.4公开了一种PM2.5防护口罩用过滤纸及其制备方法。滤纸基材主要 由下列重量份的原料制备成：天丝纤维25-40、聚酯纤维20-35、碳酸钙填料30-40、双元助 留剂共0.1-0.3、聚酰胺多胺环氧氯丙烷树脂0.3-0.8。其特征在于：先抄造出高加填量且结构 致密的滤纸基材，经回湿后进入超级压光机，再依次经稀酸浸渍处理、水浸脱酸、干燥整形 制成。本发明采用湿法成型和超级压光技术抄造出致密的基材，高加填与稀酸处理工艺相结 合，来构建静态的亚微米级的孔径；同时用填料来调控滤纸的孔径分布及孔隙率，进而实现 过滤阻力的可调控，同时满足PM2.5防护口罩用过滤纸高效、低阻的要求。该方案需通过 水浸脱酸处理，耗水量大，成品周期长。
李猛等，在《聚四氟乙烯微孔膜&双组分熔喷材料复合空气滤材的制备与过滤性能》中， 以聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜作为过滤层，聚酯/聚丙烯(PET/PP)双组分熔喷材料作为支 撑层，通过非织造热轧技术制备一种空气过滤器用PTFE微孔膜/(PET/PP)微孔膜双组分 熔喷材料复合滤材。该复合滤材过滤效果好，符合使用需求。但是该方案成本高，容沉尘量 低。
发明内容
本发明针对上述聚丙烯熔喷布产量少，成本高，污染环境和对人体有害等问题，提供一种 操作简单、成本适中的纸基过滤新材料的制造方法，用以制得品质优良且高静电压、高过滤 效率和低呼吸阻力的纸基过滤材料。
本发明技术方案如下：
一种涂层液，涂层液按重量份计由如下的组分组成：无机驻极体20～30份，聚合物驻 极体40～60份，硅藻土10～20份，胶黏剂20～40份，分散剂0.1～0.5份，纳米纤维材料0.5～2份，抑菌剂5～10份，消泡剂0.3～0.8份。
驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料，它所储存的电荷可以是外界注入的单 极性真实电荷(或称空间电荷)，也可以是极性电介质中偶极子有序取向而形成的偶极电荷， 或者两类电荷同时兼有。驻极体材料是一种高效低阻过滤材料，除具有机械阻挡作用外，在 空气过滤的过程中还可以增加静电吸附，依靠库仑力直接吸引气相中的带电微粒并将其捕获， 或诱导中性微粒产生极性再将其捕获，就可以更有效地过滤气体载体相中的亚微粒子，大 大增强过滤效率，而呼吸阻力却不会增加。本发明将无机驻极材料和聚合物驻极材料搭配使 用，无机驻极材料和聚合物驻极材料具有协同增效作用，驻极效率更好，在提高过滤效率的 同时使呼吸阻力满足GB2626-2019规定“≤170Pa”。
所述无机驻极体为二氧化硅和/或电气石。进一步优选的，所述二氧化硅为气相二氧化 硅。气相二氧化硅具有极高的比表面积，Si基SiO2的近表面沉积电荷的稳定性高，驻极后 电荷面密度增加。在已知的具有永久极性的驻极体矿物中，电气石是永久自发电极性最强的， 而且电气石中含有Ca，Zn等金属氧化物，这些金属氧化物具有强碱性，它的pH值往往大 于12，不利于细菌的增长。同时空气中的水蒸气能够在这些金属氧化物的表面形成浓厚的 具有抗菌作用的OH-表面层。
进一步优选的，所述无机驻极体的粒径≤500nm。合适的粒径有助于增加无机驻极体的 表面积，增加驻极效果。
所述聚合物驻极体为聚四氟乙烯粉末，聚甲基丙烯酸甲酯粉末和聚乳酸粉末中的一种或 多种。聚四氟乙烯是重要的有机氟碳聚合物，具有介电性、低介电损耗，高击穿电压、高体 积电阻率等特点，呈现出最优异的空间电荷储存稳定性和生物相容性。聚乳酸不仅具有非极 性高聚物的特点，而且是一种性能优良的、具有生物相容性、抑菌性和可降解性的聚合物。
进一步优选的，所述聚合物驻极体的粒径≤3μm。
一般而言，增加驻极体的添加量可以增加驻极效果，但是驻极体的添加量增加也会同时 增加呼吸阻力。我们经过大量的实验，尝试了多种材料和不同的配比，发现，单独使用无机 驻极体或者单独使用聚合物驻极体，无法同时满足口罩过滤材料对于感应静电压和过滤效率 的需要。无机驻极体和聚合物驻极体共同添加，相互之间存在协同增效作用，可以很好的解 决本发明的技术问题。而且，得到的涂层液组合物粘度适中，便于涂布。无机驻极体和聚合 物驻极体的配比，对驻极效果也有影响，在本发明的特定的比例范围内容(无机驻极体20～ 30份，聚合物驻极体40～60份)可以达到最好的驻极效果。
所述硅藻土具有多孔性、较低的密度、较大的比表面积，能够吸附空气中的游离甲醛、 苯、氨、VOC等有害物质。进一步优选的，硅藻土的粒径≤500nm。
所述胶黏剂为聚乙烯醇，聚氨酯和丙烯酸树脂中的一种或多种。进一步优选的，所述聚 乙烯醇的指标是：聚合度1700～2000，醇解度88％～99％。
所述分散剂为聚丙烯酸钠和/或六偏磷酸钠。
所述纳米纤维材料的尺度为纳米级，长径比为30～100，比表面积为3000～8000m2/g。 符合该要求的纳米纤维材料能够暴露出更多的羟基，与纸基纤维形成氢键结合，强度更好。
所述纳米纤维材料为生物质纳米纤维；进一步优选的，所述生物质纳米纤维包括机械法 制得的生物质纳米纤维和/或化学法制得的生物质纳米纤维；更优选的，所述生物质纳米纤 维为针叶木纳米纤维、阔叶木纳米纤维和/或细菌纤维素。上述生物质纳米纤维以微量助剂 的形式加入到涂层液中，利用纳米纤维的较小的尺寸，填补了纸基材料较大的孔径。增加了 纸基过滤材料的物理拦截作用。
所述抑菌剂为壳聚糖。壳聚糖是由甲壳素在强碱的作用下经脱乙酰化，得到的一种阳离 子多聚糖，它能够与生物体相容，常用作酶、抗原、抗体等物质的载体，甚至能激发有益酶 的作用并抑制有害酶的作用。进一步优选的，壳聚糖的脱乙酰度≥80％。
所述消泡剂是能够降低水、溶液、悬浮液等的表面张力，防止泡沫形成，或使原有泡沫 减少或消灭的物质。所述消泡剂为有机硅消泡剂、聚醚消泡剂或高级醇消泡剂中一种或多种。 本发明中可以采用市售的消泡剂。
优选的，所述涂层液的固含量为8％～12％。涂布液还包括液体成分，涂布液中的液体 成分包括水、乙醇。
本发明还提供涂层液的使用方法，所述涂层液采用微量涂布的方式，涂布量为6～8g/m2 (以固含量计)。
本发明还提供所述涂层液的制备方法，具体步骤如下：
在800～1000份水中先加入0.1～0.5份分散剂和0.5～2份纳米纤维材料，再加入20～ 30份无机驻极体，40～60份聚合物驻极体和10～20份硅藻土，在高速分散机1000～3000 r/min的分散条件下高速分散20～30分钟。然后依次加入20～40份胶黏剂，5～10份抑菌剂， 0.3～0.8份消泡剂，最后在高速分散机1000～3000r/min的分散条件下分散10～20分钟即得 涂层液。
需要说明的是，本发明的涂层液是一个整体，虽然各个组分有各自的作用，但是这些组 分是作为一个整体来共同形成涂层液的，经过特定的步骤和添加顺序，并在特定的分散条件 下充分混合，形成稳定的、粘度适中并易于涂布的涂层液；驻极之后还可以存储电荷，让过 滤材料的电荷衰减慢减慢，增加使用时间。
本发明还提供一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料，包括原纸层和由涂层液涂布烘干而成 的涂布层。所述原纸层为原纸，原纸的物理性质如下：定量为：20-40g/m2，抗张强度为： 0.3KN/m-1.0KN/m；湿强度为：15％-30％；过滤效率为：50％-80％；呼吸阻力为：30-70Pa； 平均孔径为：30-55μm。
优选的，所述纳米纤维覆膜纸基过滤材料，感应静电压550-920V，过滤效率>90％。优 选的，过滤效率>95％。
本发明还提供一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将定量为20～40g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将上述涂层液经过涂布机上的挤压 嘴涂布在原纸上，烘干。
(2)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30～60秒，驻极电压30～60KV。卷取即得。
本发明还提供一种过滤装置，其特征在于，使用了本发明所述的纳米纤维覆膜纸基过 滤材料。比如，使用纳米纤维覆膜纸基过滤材料作为过滤层。优选的，所述过滤装置为气体 过滤装置。优选的，所述过滤装置为口罩用过滤装置。
本发明还提供一种口罩，其特征在于，使用了本发明所述的纳米纤维覆膜纸基过滤材 料或过滤装置。
有益效果
1、本发明将无机驻极材料和聚合物驻极材料搭配使用，无机驻极材料和聚合物驻极材 料具有协同作用，驻极效率更好，在提高过滤效率的同时使呼吸阻力满足GB2626-2019规 定“≤170Pa”，符合口罩过滤要求。
2、所述涂层液将纳米纤维素、驻极体和硅藻土通过高速分散机进行高速分散。由于纳 米纤维素、驻极体和硅藻土的尺度为纳米级，十分容易团聚，利用纳米纤维材料来分散驻极 体和硅藻土，所得的分散液分散稳定性比较好。
3、本发明使用的都是可降解材料，相对于聚丙烯熔喷布更加环保，符合目前节能减排、 环境友好的政策要求。
具体实施方法
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步阐述，但本发明所保护范围不限于此。
原料来源
实施例中所述的壳聚糖购自西安百川生物科技有限公司。
实施例中所述纳米纤维材料为针叶木纳米纤维，按照文献《Determination ofnanocellulose fibril length by shear viscosity measurement》(Tanaka等，《Cellulose》2014年6月)中记 载的TEMPO氧化纤维素方法制备。纳米纤维长径比为60，比表面积为5000m2/g。
实施例中所述原纸由东顺集团提供。原纸的物理性质如下：定量为：20-40g/m2，抗张 强度为：0.3KN/m-1.0KN/m；湿强度为：15％-30％；过滤效率为：50％-80％；呼吸阻力为：30-70Pa；平均孔径为：30-55μm。
实施例中其他所述试剂或原料等均为普通市售产品。所述聚乙烯醇的指标是：聚合度 1700，醇解度99％。
感应静电压采用YG401织物感应式静电测试仪测试，本实验针尖与材料的距离设为2cm， 施加10kV高压，30s后停止。
过滤效率和呼吸阻力采用美国TSI8130自动滤料检测仪，本试验设定测试流量为(85±2) L/min。
实施例1
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.2％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.8g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例1纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 550 -
过滤效率(％) 91.82 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 63 ≤170Pa
分别使用丙烯酸树脂代替聚乙烯醇、使用聚氨酯代替聚乙烯醇，重复上述实验，结果基 本相同。
实施例2
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，50份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.6％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.4g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例2纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 690 -
过滤效率(％) 92.68 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 78 ≤170Pa
使用聚丙烯酸钠代替六偏磷酸钠，进行上述实验，得到的结果基本相同。
实施例3
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，60份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.5％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.6g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例3纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 920 -
过滤效率(％) 93.23 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 91 ≤170Pa
使用高速分散机不同转数进行上述实验，得到的结果基本相同。
实施例4
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.2％。
(2)将定量为30g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.8g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例4纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 560 -
过滤效率(％) 92.13 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 94 ≤170Pa
实施例5
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.4％。
(2)将定量为40g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.7g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
Figure BDA0002548200740000081
Figure BDA0002548200740000091
实施例6
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.3％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.5g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极45秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例6纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 590 -
过滤效率(％) 93.80 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 67 ≤170Pa
实施例7
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.3％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.5g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极60秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
Figure BDA0002548200740000092
Figure BDA0002548200740000101
实施例8
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.3％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.5g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极60秒，驻极电压50KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例8纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 680 -
过滤效率(％) 96.32 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 66 ≤170Pa
实施例9
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.3％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.5g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极60秒，驻极电压60KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例9纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 830 -
过滤效率(％) 97.69 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 63 ≤170Pa
实施例10
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和0.5份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧 化硅，10份电气石，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后 在高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.3％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.5g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例10纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 530 -
过滤效率(％) 91.36 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 52 ≤170Pa
实施例11
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和2份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.4％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.6g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例11纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 610 -
过滤效率(％) 93.49 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 113 ≤170Pa
实施例12
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入20份纳米二氧化 硅，40份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散 30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.6％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.9g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例12纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 520 -
过滤效率(％) 91.34 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 64 ≤170Pa
实施例13
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，20份电气石，40份聚四 氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后 依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.5％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.6g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例13纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 565 -
过滤效率(％) 92.30 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 68 ≤170Pa
实施例14
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚甲基丙烯酸甲酯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂， 最后在高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.7％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.7g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极60秒，驻极电压60KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例14纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 760 -
过滤效率(％) 96.42 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 68 ≤170Pa
实施例15
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，40份聚乳酸粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在高速 分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.5％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.5g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极60秒，驻极电压60KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例15纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 780 -
过滤效率(％) 96.15 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 70 ≤170Pa
实施例16
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石，20份末聚四氟乙烯粉末，10份聚甲基丙烯酸甲酯粉末，10份聚乳酸粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在高速分散机1400r/min的分散条件下分散 20分钟。得到的涂层液固含量为10.7％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.7g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极60秒，驻极电压60KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 实施例16纸基过滤新材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 840 -
过滤效率(％) 96.32 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 76 ≤170Pa
对比例1
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入40份聚四氟乙烯 粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加 入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.3％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.4g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 对比例1纸基过滤材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 380 -
过滤效率(％) 83.14 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 51 ≤170Pa
对比例2
纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入10份纳米二氧化 硅，10份电气石和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在高速分散机1400r/min的 分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.1％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.7g/m2(以固含量计)，烘干。
(3)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30秒，驻极电压40KV。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 对比例2纸基过滤材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 210 -
过滤效率(％) 78.62 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 48 ≤170Pa
对比例3
一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，步骤如下：
(1)涂层液的制备：
在1000份水中先加入0.3份六偏磷酸钠和1份纳米纤维材料，再加入30份纳米二氧化 硅，30份电气石，20份聚四氟乙烯粉末和20份硅藻土，在高速分散机1400r/min的分散条件下高速分散30分钟。然后依次加入30份聚乙烯醇，5份壳聚糖，0.5份消泡剂，最后在 高速分散机1400r/min的分散条件下分散20分钟。得到的涂层液固含量为10.4％。
(2)将定量为20g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将事先配制好的涂层液经过涂布机上的 挤压嘴涂布在原纸上，涂布量为6.7g/m2(以固含量计)，烘干。卷取即得。
本实施例制备的纸基过滤新材料指标各项数据如下：
物理指标 对比例3纸基过滤材料 GB2626-2019规定
感应静电压(V) 30 -
过滤效率(％) 61.483 ≥90.0％
呼吸阻力(Pa) 59 ≤170Pa
对比例4实施例1的纸基过滤新材料与熔喷布的成本对比
指标 实施例1纸基过滤新材料 熔喷布
成本 6万/t 40万/t
结果分析
通过实施例1-3可知，随着聚合物驻极体用量的增加，过滤新材料的感应静电压和过滤 效率都随之提高，但呼吸阻力也有所增加。这是因为聚合物驻极体驻极后增加了过滤新材料 的静电作用，过滤效果更好。呼吸阻力增加是因为聚合物驻极体的增加减小了过滤新材料的 孔径和孔隙率。而且聚合物驻极体的成本较高，随着聚合物驻极体用量的增加，成本也随之 增加。
通过实施例1，4，5，可知，随着原纸克重的增加，过滤新材料的感应静电压和过滤效 率都有所提高，但呼吸阻力也随着增加。这是因为纸基过滤新材料单位面积内克重的增加， 使其单位面积内堆积密度的增大，这就大大增加了微细颗粒与纤维碰撞或粘附的机会，使得 过滤材料对颗粒物的分离捕捉作用被提高，所以微粒穿透率下降，过滤效率提高；同时，也 阻碍了空气的流通，增大了过滤材料的呼吸阻力。
通过实施例1，6，7可知，随着驻极时间的增加，过滤新材料的感应静电压和过滤效率 都提高，而且呼吸阻力没有增加。但是驻极时间越长，工作效率越低，成本也就越高。
通过实施例7，8，9可知，随着驻极电压的增加，过滤新材料的感应静电压和过滤效率 都提高，而且呼吸阻力没有增加。但驻极电压的增加需要增加变压设备的数量，成本增高。
通过实施例1，10,11可知，随着纳米纤维材料的增加，过滤新材料的过滤效率随之提 高，但是呼吸阻力也随之增加。这是因为纳米纤维材料减小了过滤新材料的孔径，增加了对 微细颗粒的拦截作用。
通过实施例1，12，13可知，无机驻极体SiO2和/或电气石的添加都能增加过滤新材料 感应静电压和过滤效率。
通过实施例9，14，15，16可知，聚合物驻极体聚甲基丙烯酸甲酯粉末和聚乳酸粉末比 聚四氟乙烯粉末驻极效果差，但是聚四氟乙烯粉末成本较高。
通过实施例1和对比例1可知，不添加无机驻极体的过滤新材料感应静电压和过滤效率 都有所下降，达不到GB2626-2019的规定。
通过实施例1和对比例2可知，不添加聚合物驻极体过滤新材料的感应静电压和过滤效 率都明显下降，而且不添加聚合物驻极体的过滤新材料比不添加无机驻极体的过滤新材料的 感应静电压和过滤效率更低。
通过实施例1和对比例3可知，不经过驻极处理，过滤新材料只通过物理截留的方式， 过滤效率明显降低，不符合口罩生产的要求。
我们经过大量实验，改变各种实验条件(如驻极体的种类和添加量)，发现单独添加无 机驻极体或聚合物驻极体，都无法同时满足感应静电压和过滤效率的需要。无机驻极体和聚 合物驻极体共同添加，相互之间存在协同增效作用，可以同时满足口罩过滤材料对于感应静 电压和过滤效率的需要。
综合分析可知，本发明所述技术方案通过纸基过滤材料代替聚丙烯熔喷布，不仅得到品 质优良且高静电、高过滤效率和低呼吸阻力的口罩用纸基过滤新材料，而且成本适中，环境 污染小。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受实施例的限制，其它 任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、替代、简化均应为等效替 换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种涂层液，涂层液按重量份计由如下的组分组成：无机驻极体20～30份，聚合物驻极体40～60份，硅藻土10～20份，胶黏剂20～40份，分散剂0.1～0.5份，纳米纤维材料0.5～2份，抑菌剂5～10份，消泡剂0.3～0.8份。
2.如权利要求1所述的涂层液，其特征在于，所述无机驻极体为二氧化硅和/或电气石；
所述聚合物驻极体为聚四氟乙烯粉末，聚甲基丙烯酸甲酯粉末和聚乳酸粉末中的一种或多种；
所述胶黏剂为聚乙烯醇，聚氨酯和丙烯酸树脂中的一种或多种；
所述分散剂为六偏磷酸钠、聚丙烯酸钠。
所述纳米纤维材料为生物质纳米纤维；
所述抑菌剂为壳聚糖。
3.如权利要求2所述的涂层液，其特征在于，所述二氧化硅为气相二氧化硅。
4.如权利要求2或3所述的涂层液，其特征在于，所述无机驻极体的粒径≤500nm；所述聚合物驻极体的粒径≤3μm；硅藻土的粒径≤500nm；
所述聚乙烯醇的指标是：聚合度1700～2000，醇解度88％～99％。
所述纳米纤维材料的尺度为纳米级，长径比为30～100，比表面积为3000～8000m2/g。
5.如权利要求2所述的涂层液，其特征在于，所述生物质纳米纤维包括机械法制得的生物质纳米纤维和/或化学法制得的生物质纳米纤维。
6.如权利要求5所述的涂层液，其特征在于，所述生物质纳米纤维为针叶木纳米纤维、阔叶木纳米纤维和/或细菌纤维素。
7.如权利要求1-6任一项所述的涂层液，其特征在于，所述涂层液的固含量为8％～12％。
8.如权利要求1-7任一项所述的涂层液的使用方法，所述涂层液采用微量涂布的方式，涂布量为6～8g/m2(以固含量计)。
9.如权利要求1-7任一项所述的涂层液的制备方法，具体步骤如下：
在800～1000份水中先加入0.1～0.5份分散剂和0.5～2份纳米纤维材料，再加入20～30份无机驻极体，40～60份聚合物驻极体和10～20份硅藻土，在高速分散机1000～3000r/min的分散条件下高速分散20～30分钟。然后依次加入20～40份胶黏剂，5～10份抑菌剂，0.3～0.8份消泡剂，最后在高速分散机1000～3000r/min的分散条件下分散10～20分钟即得涂层液。
10.一种纳米纤维覆膜纸基过滤材料，包括原纸层和由权利要求1-7任一项所述的涂层液涂布烘干而成的涂布层。
11.如权利要求10所述的纳米纤维覆膜纸基过滤材料，其特征在于，所述原纸层为原纸的物理性质如下：定量为：20-40g/m2，抗张强度为：0.3KN/m-1.0KN/m；湿强度为：15％-30％；过滤效率为：50％-80％；呼吸阻力为：30-70Pa；平均孔径为：30-55μm。
12.如权利要求10或11所述的纳米纤维覆膜纸基过滤材料，其特征在于，所述纳米纤维覆膜纸基过滤材料，感应静电压550-920V，过滤效率>90％。
13.如权利要求12所述的纳米纤维覆膜纸基过滤材料，其特征在于，过滤效率>95％。
14.如权利要求10-13任一项所述的纳米纤维覆膜纸基过滤材料的制备方法，包括下列步骤：
(1)将定量为20～40g/m2原纸装到窄缝涂布机上，将权利要求1-6任一项所述的涂层液经过涂布机上的挤压嘴涂布在原纸上，烘干；
(2)利用静电驻极设备将烘干的涂布纸进行驻极30～60秒，驻极电压30～60KV。卷取即得。
15.如权利要求10-13任一项所述纳米纤维覆膜纸基过滤材料的用途，用于口罩。
16.如权利要求14所述的用途，其特征在于，用于口罩过滤材料。
17.一种过滤装置，其特征在于，使用了权利要求10-13任一项所述的纳米纤维覆膜纸基过滤材料。优选的，所述过滤装置为气体过滤装置。优选的，所述过滤装置为口罩用过滤装置。
18.一种口罩，其特征在于，使用了权利要求10-13任一项所述的纳米纤维覆膜纸基过滤材料或权利要求17所述的过滤装置。
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