CN111778759A - 一种全热交换石墨烯纸膜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全热交换石墨烯纸膜，原料包括植物纤维浆料、高分子聚合物、阻燃剂、抗菌剂和石墨烯水性浆料；所述植物纤维浆料为进口针叶木浆或进口针叶木浆与阔叶木浆的混合浆料；所述石墨烯水性浆料：有效成分含量为5‑15%，粘度为1000‑6000mpa.s；原料还包括聚丙烯酰胺、阳离子淀粉、羧甲基纤维素钠中的至少一种，添加量为相对绝干纤维量2‑5%。原料还包括聚丙烯酰胺、阳离子淀粉、羧甲基纤维素钠中的至少一种，添加量为相对绝干纤维量2‑5%。所述高分子聚合物和阻燃剂的质量比为1：4‑10。本发明全热交换石墨烯纸膜透气度≤0.2μm/Pa·s，透湿度≥1000g/m2·24h。

Description

一种全热交换石墨烯纸膜
技术领域
本发明属于特种纸技术领域，尤其涉及一种全热交换石墨烯纸膜。
背景技术
空调在建筑物室内工作，如果密闭不通风，长时间不进行室内外换风，会使空气变得污浊，因此需要不断与室外的新鲜空气进行交换。全热交换器是新风系统能量交换的关键因素，使用全热交换器完成室内外空气的能量交换是目前国内外常用的方法。
全热交换器的效果影响因素主要包括以下几个：
显热：随着潮湿空气的温度变化而吸收或放出的热量，利用新风、排风温差回收显热量。
潜热：随着潮湿空气中的水蒸气浓度的变化而吸收或放出的热量（汽化热）。
全热（焓）：显热和潜热之和，一般状态下焓值与全热值相同。
全热交换器工作原理是: 全热交换器工作时，室内排风和新风呈正交叉方式流经交换器芯体时，由于气流分隔板两侧气流存在着温差和蒸汽分压差，两股气流通过分隔板时呈现传热传质现象，引发全热交换过程。夏季运行时，新风从室内排风获得冷量，使温度降低，同时通过湿度交换，使新风含湿量降低；冬季运行时，新风从室内排风获得热量，温度升高，同时通过湿度交换，新风含湿量提高。
基于上述工作原理，新风系统中的核心部件——全热交换器芯体的材料，需要具有良好的传热性能，以有效回收排风中的显热。还应具有较高的紧度以达到极低的透气性，将新风和排风进行有效隔离（阻隔CO2等有害气体），以保证新鲜空气不受影响；同时应具备高透湿性，以有效回收排风中的潜热；因此，需要开发一种具有良好传热性能、具有高紧度、极低透气度以及高透湿度的材料，用于制作全热交换器的芯体，以提高新风净化系统全热交换的焓效率。
申请号为CN 110485202 A的中国专利提供了一种全热交换纸的制备方法，该专利申请要点为将天然高分子聚合物和非水溶性抗菌剂混合搅拌均匀得到 2.0-10.0g/m2的表面施胶液，天然高分子聚合物为淀粉、羧甲基纤维素钠、瓜尔胶、聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、豆酪素、明胶中的至少一种；在原纸上施涂表面施胶液，得到全热交换纸。该专利申请利用天然高分子聚合物含有大量的亲水基团(如羟基、氨基)对水蒸汽分子具有亲和作用，这些亲水基团与水蒸汽分子以形成氢键的形式相互作用，从而达到保湿透湿作用，对于提高潜热交换效率有一定的效果。但对于提高显热交换效率、降低透气性方面，该专利申请并未涉及。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种全热交换石墨烯纸膜，达到以下发明目的：降低纸膜的透气度，提高纸膜的透湿度，提高新风系统的显热交换效率和全热交换效率。
本发明所采取的技术方案是：
一种全热交换石墨烯纸膜，原料包括植物纤维浆料、高分子聚合物、阻燃剂、抗菌剂和石墨烯水性浆料；所述植物纤维浆料为进口针叶木浆或进口针叶木浆与阔叶木浆的混合浆料；所述石墨烯水性浆料：有效成分含量为5-15%，粘度为1000-6000mpa.s；全热交换石墨烯纸膜透气度≤0.2μm/Pa· s，透湿度≥1000g/m2·24h。
所述石墨烯水性浆料的添加方式为：将石墨烯水性浆料添加到植物纤维浆料中，添加量为相对绝干纤维量0.5-3％；或将石墨烯水性浆料添加到高分子聚合物和阻燃剂混合形成的胶液中，添加量为胶液质量的3-20％。
原料还包括聚丙烯酰胺、阳离子淀粉、羧甲基纤维素钠中的至少一种，添加量为相对绝干纤维量2-5%。
原料还包括脲甲醛树脂、聚酰胺环氧氯丙烷树脂、三聚氰胺甲醛树脂和聚乙烯亚胺中的至少一种，添加量为相对绝干纤维量2-5%。
所述高分子聚合物为淀粉、聚乙烯醇、瓜尔胶中的至少一种。
所述抗菌剂为有机溴类化合物、嘧啶类抗菌剂、铵类化合物中的至少一种。
所述阻燃剂为磷系、氮系、溴系阻燃剂中的至少一种。
所述的一种全热交换石墨烯纸膜的制备方法，包括原纸抄造步骤；所述的原纸抄造: 采用针叶木浆、阔叶木浆作为原料制备混合浆；
进一步的，在浆料中添加石墨烯水性浆料，添加量为相对绝干纤维量0.5-3％；
进一步的，在浆料中添加聚丙烯酰胺、阳离子淀粉、羧甲基纤维素钠中的至少一种，添加量为相对绝干纤维量2-5%；
进一步的，在浆料中添加脲甲醛树脂、聚酰胺环氧氯丙烷树脂、三聚氰胺甲醛树脂和聚乙烯亚胺中的至少一种，添加量为相对绝干纤维量2-5%。
所述的制备方法还包括制备表面施胶液步骤；所述的制备表面施胶液：将高分子聚合物和阻燃剂混合制备成胶液；所述高分子聚合物为淀粉、聚乙烯醇、瓜尔胶中的至少一种；所述高分子聚合物和阻燃剂的质量比为1：4-10；
进一步的，胶液中添加石墨烯水性浆料；添加量为胶液质量的3-20％；
进一步的，胶液中添加抗菌剂；抗菌剂为有机溴类化合物、嘧啶类抗菌剂、铵类化合物中的至少一种；添加量为胶液的0.15-0.3%。
所述制备方法还包括对原纸进行表面施胶，施胶方式为浸渍、单面涂布、双面涂布、喷涂中的一种，浓度为10-40%，施胶量为5-15g/m2。
采用上述技术方案,本发明具有以下有益效果:
（1）本发明全热交换石墨烯纸膜在温度23℃、湿度50％RH的检测环境下，透气度≤0.2μm/Pa· s，透湿度≥1000g/m2·24h。
（2）使用本发明全热交换石墨烯纸膜制作全热交换器芯体的新风系统，显热交换率提高5-15%，全热交换率（晗效率）提高5-10%，与不使用石墨烯普通新风系统相比空调节能10%左右。
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。石墨烯水性浆料能均匀混合于纸浆中，纳米级的石墨烯具有较强的界面粘接力，能紧密的附着在植物纤维上，使植物纤维的导热性能大幅度提高，纸浆中同时加入的干强剂能有效提高石墨烯的留着率，也有利于全热交换石墨烯纸膜导热性能的提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
对比例1
一种全热交换纸（未添加石墨烯）的制备方法，包括以下步骤：
1)原纸抄造：采用70％针叶木浆+30%阔叶木浆作为原料，混合浆打浆度为50°SR，在浆料中添加相对绝干纤维量为2％的聚酰胺环氧氯丙烷树脂和相对绝干纤维量为0.4％的聚丙烯酰胺，以水为介质在圆网纸机上进行抄造得到原纸，车速为100m/min；
2)制备表面施胶液：将淀粉和磷系阻燃剂按1:5的比例配制浓度为22%的胶液，加0.2%（质量百分数）的有机溴类化合物进行混合，搅拌均匀得到表面施胶液；
所述磷系阻燃剂，主要成分为磷酸酯；
所述有机溴类化合物，主要成分为2,2-二溴-氰基乙酰胺；
3)施涂表面施胶液：在原纸上采用表面施胶的方式浸渍表面施胶液，表面施胶的方法为采用两辊表胶机进行施胶，施胶辊压力3.0kg/m2,上胶量为12g/m2,经烘缸干燥至水分为10%，即可得到全热交换纸。
实施例1
一种全热交换石墨烯纸膜的制备方法，包括以下步骤：
1)原纸抄造：采用70％针叶木浆+30%阔叶木浆作为原料，混合浆打浆度为45°SR，在浆料中添加相对绝干纤维量为0.5%的石墨烯水性浆料、相对绝干纤维量为2.0％的脲甲醛树脂和相对绝干纤维量为2％的阳离子淀粉，以水为介质在长网纸机上进行抄造得到原纸，车速为100m/min；
所述石墨烯水性浆料：有效成分含量为11±1%，粘度为2000±200mpa.s。
2)制备表面施胶液：将聚乙烯醇和氮系阻燃剂按1:4的比例配制浓度为18%的胶液，加入嘧啶类抗菌剂进行混合，嘧啶类抗菌剂的加入量为胶液质量的0.2%（质量百分数）；搅拌均匀得到表面施胶液；
所述氮系阻燃剂为含氮化合物；
所述嘧啶类抗菌剂：该抗菌剂由有机硅作为载体，将多种高活性的日化级别的抗菌剂负载在其上复配而成。
3)施涂表面施胶液：在原纸上采用双面涂布的方式涂布表面施胶液，采用刮棒进行双面涂布，涂布量为10g/m2,经烘缸干燥至水分为8-12%，再经软压光机压光，软压光机线压力为200kN/m，热油温度150℃；即可得到全热交换石墨烯纸膜。
实施例2
一种全热交换石墨烯纸膜的生产方法，包括以下步骤：
1)原纸抄造：采用70％针叶木浆+30%阔叶木浆作为原料，混合浆打浆度为50°SR，在浆料中添加相对绝干纤维量为1%的石墨烯水性浆料、相对绝干纤维量为0.6％的羧甲基纤维素钠和相对绝干纤维量为2％的聚酰胺环氧氯丙烷树脂，以水为介质在圆网纸机上进行抄造得到原纸，车速为100m/min；
所述石墨烯水性浆料：有效成分含量为11±1%，粘度为2000±200mpa.s。
2)制备表面施胶液：将淀粉和溴系阻燃剂按1:4的比例配制浓度为15%的胶液，加铵类化合物进行混合；铵类化合物的加入量为胶液质量的0.2%（质量百分数）；搅拌均匀得到表面施胶液；
所述溴系阻燃剂：所述溴系阻燃剂为含溴化合物；
所述铵类化合物：为季铵盐类化合物（烷基二甲基苄基氯化铵）。
3)施涂表面施胶液：在原纸上采用单面涂布的方式涂布表面施胶液，采用刮棒进行单面涂布，涂布量为8g/m2，经烘缸干燥至水分为8-12%，再经超级压光机压光即可得到全热交换石墨烯纸膜，超级压光机线压力为200kN/m，热油温度150℃；即可得到全热交换石墨烯纸膜。
实施例3
一种全热交换石墨烯纸膜的生产方法，包括以下步骤：
1)原纸抄造：采用70％针叶木浆+30%阔叶木浆作为原料，混合浆打浆度为55°SR，在浆料中添加相对绝干纤维量为1.5%的石墨烯水性浆料、相对绝干纤维量为0.7％的羧甲基纤维素钠和相对绝干纤维量为2％的聚酰胺环氧氯丙烷树脂，以水为介质在长网纸机上进行抄造得到原纸，车速为100m/min；
所述石墨烯水性浆料：有效成分含量为11±1%，粘度为2000±200mpa.s。
2)制备表面施胶液：将聚乙烯醇和磷系阻燃剂按1:5的比例配制浓度为16%的胶液，加入有机溴类化合物进行混合；有机溴类化合物的加入量为胶液质量的0.2%（质量百分数）；搅拌均匀得到表面施胶液；
所述磷系阻燃剂为含磷化合物；
所述有机溴类化合物： 主要成分为2,2-二溴-氰基乙酰胺。
3)施涂表面施胶液：在原纸上采用喷涂的方式涂布表面施胶液，喷涂量为9g/m2，经烘缸干燥至水分为8-12%，再经软压光机压光，软压光机线压力为200kN/m，热油温度150℃；即可得到全热交换石墨烯纸膜。
实施例4
一种全热交换石墨烯纸膜的生产方法，包括以下步骤：
1)原纸抄造：采用70％针叶木浆+30%阔叶木浆作为原料，混合浆打浆度为50°SR，在浆料中添加相对绝干纤维量为2%的石墨烯水性浆料、相对绝干纤维量为0.6％的聚丙烯酰胺和相对绝干纤维量为2％的三聚氰胺甲醛树脂，以水为介质在圆网纸机上进行抄造得到原纸，车速为100m/min；
所述石墨烯水性浆料：有效成分含量为11±1%，粘度为2000±200mpa.s。
2)制备表面施胶液：将瓜尔胶和氮系阻燃剂按1:5的比例配制浓度为22%的胶液，加0.2%（质量百分数）的铵类化合物进行混合，搅拌均匀得到表面施胶液；
所述氮系阻燃剂为含氮化合物；
所述铵类化合物：为季铵盐类化合物（烷基二甲基苄基氯化铵）。
3)施涂表面施胶液：在原纸上采用双面涂布的方式涂布表面施胶液，采用刮棒进行双面涂布，涂布量为12g/m2，经烘缸干燥至水分为8-12%，再经超级压光机压光，超级压光机线压力为200kN/m，热油温度150℃；即可得到全热交换石墨烯纸膜。
实施例5
一种全热交换石墨烯纸膜的生产方法，包括以下步骤：
1)原纸抄造：采用70％针叶木浆+30%阔叶木浆作为原料，混合浆打浆度为45°SR，在浆料中添加相对绝干纤维量为2％的三聚氰胺甲醛树脂，以水为介质在长网纸机上进行抄造得到原纸，车速为80m/min。
2)制备表面施胶液：将聚乙烯醇和磷系阻燃剂按1:7的比例配制浓度为20%的胶液，添加石墨烯水性浆料、嘧啶类抗菌剂进行混合；石墨烯水性浆料的添加量为胶液质量的6%（质量百分数），嘧啶类抗菌剂添加量为胶液质量的0.2%（质量百分数）；搅拌均匀得到表面施胶液；
所述磷系阻燃剂为含磷化合物；
所述石墨烯水性浆料：有效成分含量为11±1%，粘度为2000±200mpa.s；
所述嘧啶类抗菌剂：该抗菌剂由有机硅作为载体，将多种高活性的日化级别的抗菌剂负载在其上复配而成。
3)施涂表面施胶液：在原纸上采用表面施胶的方式浸渍表面施胶液，表面施胶的方法为采用两辊表胶机进行施胶，施胶辊压力2.5-3.5kg/m2,上胶量为11g/m2,经烘缸干燥至水分为8-12%，再经软压光机压光即可得到全热交换石墨烯纸膜，软压光机线压力为200kN/m，热油温度150℃；即可得到全热交换石墨烯纸膜。
实施例6
一种全热交换石墨烯纸膜的生产方法，包括以下步骤：
1)原纸抄造：采用70％针叶木浆+30%阔叶木浆作为原料，混合浆打浆度为50°SR，在浆料中添加相对绝干纤维量为2％的聚酰胺环氧氯丙烷树脂，以水为介质在圆网纸机上进行抄造得到原纸，车速为90m/min。
2)制备表面施胶液：将淀粉和氮系阻燃剂按1:7的比例配制浓度为18%的胶液，添加石墨烯水性浆料、有机溴类化合物进行混合；石墨烯水性浆料的添加量为胶液质量的12%（质量百分数），有机溴类化合物添加量为胶液质量的0.2%（质量百分数）；搅拌均匀得到表面施胶液；
所述氮系阻燃剂为含氮化合物；
石墨烯水性浆料：有效成分含量为11±1%，粘度为2000±200mpa.s；
所述有机溴类化合物：主要成分为2,2-二溴-氰基乙酰胺。
3)施涂表面施胶液：在原纸上采用喷涂的方式涂布表面施胶液，喷涂量为10g/m2，经烘缸干燥至水分为8-12%，再经超级压光机压光，超级压光机线压力为200kN/m，热油温度150℃；即可得到全热交换石墨烯纸膜。
性能测试：
在温度23℃、湿度50％RH的检测环境下，对上述所得的对比例1全热交换纸和实施例1-6全热交换石墨烯纸膜的定量、紧度、干抗张力、湿抗张力、透气度以及透湿度进行测试，再将全热交换纸和全热交换石墨烯纸膜制作成全热交换器芯体后，对采用该全热交换器芯体的新风系统的显热效率、湿效率、焓效率进行测试，所得测试结果与目标值的对比如表1所示。
表1
Figure 112083DEST_PATH_IMAGE001
从表1可以看出，本发明实施例1-6生产得到的全热交换石墨烯纸膜的紧度、透气度、透湿度、显热效率、湿效率、晗效率等性能指标均优于对比例1。本发明全热交换石墨烯纸膜定量为40-50 g/m2,紧度为0.97-1.0 g/cm3，干抗张强度为3.42-4.26KN/m，湿抗张强度为1.11-1.40KN/m，透气度为0.10-0.12 um/pa.s，透湿度为1100-1250g/m2.24h。
测试结果显示，采用本发明方法生产的全热交换石墨烯纸膜具有高紧度、极低透气度、高透湿度；将全热交换石墨烯纸膜制作成全热交换器芯体，采用该全热交换器芯体的新风系统显热效率为70-78%，湿效率为70-80%，晗效率为70-79%。
采用本方法生产的全热交换石墨烯纸膜还具有较高的空气有效换气率，板框式新风系统空气有效换气率达到94%以上，瓦楞式新风系统空气有效换气率达到97%以上。
除特殊说明外，本发明所述的百分数均为质量百分数，所述比例均为质量比。
以上对本发明的几个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：原料包括植物纤维浆料、高分子聚合物、阻燃剂、抗菌剂和石墨烯水性浆料；所述植物纤维浆料为进口针叶木浆或进口针叶木浆与阔叶木浆的混合浆料；所述石墨烯水性浆料：有效成分含量为5-15%，粘度为1000-6000mpa.s；全热交换石墨烯纸膜透气度≤0.2μm/Pa· s，透湿度≥1000g/m2·24h。
2.根据权利要求1所述的一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：原料还包括聚丙烯酰胺、阳离子淀粉、羧甲基纤维素钠中的至少一种，添加量为相对绝干纤维量2-5%。
3.根据权利要求1所述的一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：原料还包括脲甲醛树脂、聚酰胺环氧氯丙烷树脂、三聚氰胺甲醛树脂和聚乙烯亚胺中的至少一种，添加量为相对绝干纤维量2-5%。
4.根据权利要求1所述的一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：所述高分子聚合物和阻燃剂的质量比为1：4-10。
5.根据权利要求1所述的一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：所述高分子聚合物为淀粉、聚乙烯醇、瓜尔胶中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：所述阻燃剂为磷系、氮系阻燃剂、溴系阻燃剂中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：所述抗菌剂为有机溴类化合物、嘧啶类抗菌剂、铵类化合物中的至少一种；抗菌剂的添加量为高分子聚合物和阻燃剂总质量的0.15-0.3%。
8.根据权利要求1所述的一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：
所述石墨烯水性浆料的添加方式为：将石墨烯水性浆料添加到植物纤维浆料中，添加量为相对绝干纤维量0.5-3％；或将石墨烯水性浆料添加到高分子聚合物和阻燃剂混合形成的胶液中，添加量为胶液质量的3-20％。
9.根据权利要求1所述的一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：所述进口针叶木浆与阔叶木浆的比例为（50-100%）:（0-50%）。
10.根据权利要求1所述的一种全热交换石墨烯纸膜，其特征在于：所述全热交换石墨烯纸膜的制备方法包括原纸抄造、制备表面施胶溶液、施涂表面施胶液步骤；所述原纸抄造：制备植物纤维浆料，在圆网或长网纸机上抄造得到原纸；所述的制备表面施胶溶液：表面施胶溶液的成分包括高分子聚合物、抗菌剂和阻燃剂；所述施涂表面施胶液：浓度为10-40%，施胶量为5-15g/m2。
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