CN111892330B - 一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡及其制备方法，属于功能复合材料技术领域，所述光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡按质量百分比计，由83～92wt%超细玻璃纤维，6～8wt%光催化纳米级颗粒和1～3wt%粘接体系组成。本发明还涉该光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡的制备方法，将含有光催化纳米颗粒和粘接体系的悬浊液均匀雾化喷洒于火焰喷吹法制备出的超细玻璃纤维表面，然后再经过烘干制得光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡。该光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡相比于传统玻璃纤维过滤棉毡，增加了消除空气中细菌和挥发性有机物TVOC的功能且在可见光下快速分解，过滤效率更高，过滤阻力更低，机械加工强度更优异。
Description
技术领域
本发明属于功能复合材料技术领域，具体涉及一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡及其制备方法。
背景技术
随着经济社会的发展，人们越发意识到空气质量和健康之间的密切关系，但伴随而来的是空气污染物中气态物质、挥发性物质(TVOC)和颗粒物质的浓度不断升高，使得人体产生亚健康反应甚至威胁到生命安全，从而迫使人们追求居住、生活和工作环境空气的干净程度越来越高。超细玻璃微纤维滤材由于具有纤维直径和孔径细小、孔隙率高等特点，被广泛应用于空气中颗粒污染物的分离过滤，但对于空气中的细菌和挥发性有机物TVOC却无能为力。催化材料在光的作用下发生的光化学反应分解空气中的有机化合物、部分无机化合物、细菌及病毒等，从而起到高效净化空气的作用。因此，基于超细玻璃纤维滤材和光催化材料在空气净化领域中的广泛应用，开发出超细玻璃纤维和光催化材料有机结合的复合过滤材料以满足高端空气净化器对净化过滤材料的苛刻要求，不仅具有重要的理论和实用价值，而且对其尽快实现商业化应用具有非常深远的意义。
公开号为CN103657258A一种F5-F9系列空气过滤玻璃纤维棉复合材料及其制造方法的专利中，公开了一种F5-F9系列空气过滤玻璃纤维棉复合材料包括无纺布和通过粘结胶料复合在无纺布表面的玻璃纤维棉层，所述无纺布厚度为0.05-0.1mm，所述玻璃纤维棉层厚度为0.25-1.5mm，该玻璃纤维棉层由直径为0.75-1.25μm的玻璃纤维棉构成，所述粘结胶料为丙烯酸树脂。本发明制备该复合材料的方法，首先取适量氧化锌、硼砂、白砂、钾长石粉、纯碱、方解石、碳酸钾、碳酸钡并混合熔化；然后经初次成纤后用高温、高速气流牵引得到玻璃纤维棉；接着将玻璃纤维棉分散在无纺布表面并喷涂施胶，最后干燥得产品。本发明的空气过滤玻璃纤维棉复合材料，强度高、过滤性能优异,具有广泛的应用前景，其制备方法进一步确保其性能。
公开号为CN104083948A一种用于防治PM2.5的空气过滤玻璃纤维棉复合材料及其制备方法的专利中，公开了一种用于防治PM2.5的空气过滤玻璃纤维棉复合材料，包括无纺布和通过粘结胶料复合在无纺布表面的玻璃纤维棉层，所述无纺布定量为18-24g/m2，厚度为0.08-0.12mm，孔隙率为90-92％；所述玻璃纤维棉层由直径为0.75-0.85μm的玻璃纤维棉构成，厚度为0.5-0.8mm，孔隙率为95-97％；所述粘结胶料为热熔胶，其重量为复合材料总重的0.2-0.5％；本发明还公开了一种干法制备上述空气过滤材料的方法。本发明的空气过滤复合材料，玻璃纤维棉排布整齐均匀，层次结构明显，孔隙细小，具有良好的粗、中级过滤效果和更大的通风流量，可用于防治PM2.5的场所及个体防护。
公开号为CN107574719A一种抗菌玻璃纤维空气净化过滤纸及其制备方法的专利中，公开了由可溶银盐5-12份，晶须5-12份,还原剂5-15份，玻璃纤维60-80份，表面活性剂0.5-1.5份,聚合物乳液20-30份，有机溶剂50-100份制备而成，同时在玻璃纤维上沉积银，使玻璃纤维与银之间的具有很高的结合力，提升抗菌性，然后将其与晶须和聚合物乳液混合均匀，能够有效提高滤纸的强度，具有高容量及长的使用寿命。
公开号为CN204815964U一种具有杀菌消毒功能的空气过滤材料的专利中，公开了一种具有杀菌消毒功能的空气过滤材料，包括光催化剂层、进口棉纤维层、超细玻璃纤维层和纳米银层，所述纳米银层包裹在超细玻璃纤维层之间，所述超细玻璃纤维层的外侧设置有进口棉纤维层，所述光催化剂层包裹在进口棉纤维层的最外面。本实用新型结构简单合理、经济实用，光催化剂层结合太阳光的照射，具有较好的消毒作用,进口棉纤维层具有阻力小，容尘大、重量轻、性能稳定、经济环保等特点，是替代无纺布的理想产品，超细玻璃纤维层能够捕集0.1-0.3微米尘埃颗粒，具有较强的防尘作用，纳米银对数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用，而对人体无任何伤害。
上述4项专利中，所公开的空气过滤净化材料为超细玻璃纤维和粘接剂构成无光催化材料加入，或者超细玻璃纤维片层与光催化材料片层复合叠加而成。首先，超细玻璃纤维和粘结剂形成的空气过滤复合材料对于空气中的细菌和挥发性有机物TVOC无过滤能力，只能对空气中的颗粒污染物起到物理拦截作用；其次，超细玻璃纤维片层与光催化材料片层的复合叠加无法实现超细玻璃纤维与光催化纳米颗粒的有机融合，无法使得超细玻璃纤维网络结构中每一单根玻璃纤维表面都均匀包覆光催化纳米颗粒，从而导致制备出的超细玻璃纤维棉毡的光催化性能和过滤性能都无法得到保障；然后，粘接剂未经过加工助剂包括偶联剂、憎水剂和固化剂的处理，导致超细玻璃纤维与光催化纳米颗粒结合力较差，导致制备出的超细玻璃纤维棉毡机械加工强度较差。因此，如何制备出超细玻璃纤维和光催化纳米颗粒有机融合是制备出低阻、高效、杀菌消毒空气过滤材料亟待解决的问题。
发明内容
综上所述，本发明的目的在于提供一种具有光催化效果的低阻高效空气净化超细玻璃纤维棉毡，还提供了所述光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡的制备方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡，按质量百分比计，所述超细玻璃纤维棉毡包含以下组分：由83～92wt％超细玻璃纤维，6～8wt％光催化纳米级颗粒和1～3wt％粘接体系组成；所述超细玻璃纤维按质量百分比计，包含以下组分：SiO2：63～72.5wt％，R2O(R2O为Na2O、K2O中的一种或两种的混合物)：9～12wt％。Al2O3：1～3.5wt％，MgO：2.5～4.5wt％，CaO：2～5.5wt％，B2O3：4～9wt％，Fe2O3+ZnO+BaO：1.5～5.5wt％；
进一步，所述超细玻璃纤维由叩解度为39±1和32±1两种超细玻璃纤维组成，纤维网络结构孔隙率≥96.5％。
进一步，所述在光催化纳米级颗粒为微波合成反应法、沉淀法、溶胶凝胶法、水热法和氧化还原法制备出的纳米氧化锌、纳米氧化钛、纳米氧化锡、纳米二氧化锆、纳米硫化镉、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯中的一种或几种。
进一步，所述在光催化纳米颗粒直径为15～35nm，比表面积185～350m2/g。
进一步，所述粘接体系包括粘结剂、偶联剂、憎水剂和固化剂，其中，所述粘结剂为醋酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、氯化橡胶、丁基橡胶、聚乙烯醇和环氧树脂中的一种或几种，含量占超细玻璃纤维棉毡的总重量的0.5～2wt％；所述偶联剂选用KH560、三甲基氯硅烷、六甲基二硅烷中的一种或几种，含量占超细玻璃纤维棉毡的总重量的0.3～0.8wt％；憎水剂选用羟基硅油、氨基硅油、和甲基硅油中的一种或几种，含量占超细玻璃纤维棉毡的总重量的0.1～0.5wt％；所述固化剂选用硫酸乙酯和硫酸铵一种或几种，含量占玻璃纤维棉的总重量的0.1～0.5wt％。
一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡的制备方法，具体如下：
根据超细玻璃纤维配方成分选取适量的石英砂、钾长石、钠长石、白云石、方解石、纯碱、硼砂、碳酸钡、氧化锌和废平板玻璃，然后将选取制备超细玻璃纤维的原料混合均匀后投入一定温度的窑炉中高温熔融成透明均匀的玻璃液，然后将透明均匀的玻璃液通过2条料道分别流过合金漏板1和合金漏板2分别形成一次玻璃纤维丝，合金漏板1形成的一次玻璃纤维丝再经过火焰喷吹炉头1在一定高温高压下形成叩解度为39±1的超细玻璃纤维，合金漏板2形成的一次玻璃纤维丝再经过火焰喷吹炉头2在一定高温高压下形成叩解度为32±1的超细玻璃纤维，在两个火焰喷吹炉头在喷吹成纤两种不同叩解度超细玻璃纤维的同时将粘接体系悬浊液均匀喷洒在单根超细玻璃纤维上，将结合有粘接体系的两种不同叩解度的超细玻璃纤维通过负压引风均匀吸附复合于同一成型网上，最后通过烘干制得光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡。
进一步，所述窑炉煅烧温度为1450±10℃，玻璃液温度1150±10℃，料道温度1100±10℃，合金漏板1温度990±10℃，合金漏板2温度980±10℃，火焰喷吹炉头1温度为1015±10℃，火焰喷吹炉头2温度为1000±10℃。
进一步，所述合金漏板1材质为PtRh6、PtRh10或PtRh20铂铑合金其中的一种，合金漏板2材质为GH605或GH4169钴镍合金中的一种。
进一步，所述火焰喷吹炉头1对应的雾化喷洒的喷射压力控制在2～3.5Mpa，喷射流量控制在180～235Kg/h；火焰喷吹炉头2对应的雾化喷洒的喷射压力控制在1.5～2.5Mpa，喷射流量控制在122～185Kg/h，负压引风频率控制在30～45Hz。
进一步，所述烘干处理为在120～135℃的烘房内烘制5±1min。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡及其制备方法，首先，同时利用双火焰喷吹炉头制备两种叩解度的超细玻璃纤维，可以有效提高两种叩解度超细玻璃纤维混合后复合纤维的强度和孔隙率，从而提高制备出的超细玻璃纤维棉毡过滤效率、降低其过滤阻力；其次，由加工助剂包括偶联剂、憎水剂、固化剂和粘接剂形成的粘接体系对超细玻璃纤维表面进行改性，可以有效降低超细玻璃纤维的表面能，提高超细玻璃纤维和光催化纳米颗粒的结合力；同时，通过火焰喷吹工艺和粘接体系悬浊液雾化喷洒同步工艺制备超细玻璃纤维棉毡，保证每一根纤维都被粘结体系均匀包覆，进而提升粘结体系和光催化纳米颗粒在超细玻璃纤维棉毡分布的均匀性和其整体性能的稳定性，解决了形成超细玻璃纤维棉毡后纤维层结合力弱、硬度大、光催化效果变差的问题。本发明制备出的光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡蓬松度高、机械加工强度优异、过滤效率高、过滤阻力，并且具有优异的光催化消毒杀菌作用，非常适用于工业洁净设备、军工防护、新风系统和空气净化器等“干净空气”领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，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，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落后于本申请所附权力要求所限定。
实施例1
按质量比称取60份石英砂、5.5份纯碱、5份钾长石、4份钠长石、5份方解石、7份硼砂、6份白云石、1.5份碳酸钡、1份氧化锌和5份平板废玻璃，然后将选取制备超细玻璃纤维的原料混合均匀后投入到1450℃的窑炉中高温熔融成透明均匀的玻璃液，其中熔融均匀的玻璃液温度为1150℃，然后将透明均匀的玻璃液通过2条料道分别流过温度为990℃、材质为PtRh10的铂铑合金漏板1和温度为980℃、材质为GH4169钴镍合金漏板2分别形成一次玻璃纤维丝，合金漏板1形成的一次玻璃纤维丝再经过温度为1015℃火焰喷吹炉头1形成叩解度为39±1的超细玻璃纤维；合金漏板2形成的一次玻璃纤维丝再经过温度为1000℃火焰喷吹炉头2形成叩解度为32±1的超细玻璃纤维。在火焰喷吹的同时，将混合有溶胶凝胶法制备的5wt％颗粒直径为30nm，比表面积265m2/g的纳米氧化锌颗粒、1wt％丙烯酸树脂粘接剂、0.5wt％三甲基氯硅烷偶联剂、0.3wt％羟基硅油憎水剂和0.2wt％硫酸乙酯固化剂的粘接体系悬浊液均匀喷洒在单根超细玻璃纤维上，火焰喷吹炉头1对应的雾化喷洒的喷射压力控制在3Mpa，喷射流量控制在200Kg/h；火焰喷吹炉头2对应的雾化喷洒的喷射压力控制在2Mpa，喷射流量控制在155Kg/h，然后将结合有粘接体系的两种不同叩解度的超细玻璃纤维通过40Hz负压引风作用下均匀吸附复合于同一成型网上。最后复合玻璃纤维棉毡经过125℃烘干处理5min制得光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡。制备出的光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡可以在可见光的条件下1.5h降解90％的50ml的10mg/L的罗丹明B溶液，定量78g/m2，过滤阻力122Pa，过滤效率78％，透气量192L/m2·min。
实施例2
按质量比称取63份石英砂、6.5份纯碱、3份钾长石、5份钠长石、7份方解石、5份硼砂、4份白云石、1.5份碳酸钡、1份氧化锌和4份平板废玻璃，然后将选取制备超细玻璃纤维的原料混合均匀后投入到1460℃的窑炉中高温熔融成透明均匀的玻璃液，其中熔融均匀的玻璃液温度为1160℃，然后将透明均匀的玻璃液通过2条料道分别流过温度为1000℃、材质为PtRh10的铂铑合金漏板1和温度为990℃、材质为GH4169钴镍合金漏板2分别形成一次玻璃纤维丝，合金漏板1形成的一次玻璃纤维丝再经过温度为1020℃火焰喷吹炉头1形成叩解度为39±1的超细玻璃纤维；合金漏板2形成的一次玻璃纤维丝再经过温度为1005℃火焰喷吹炉头2形成叩解度为32±1的超细玻璃纤维。在火焰喷吹的同时，将混合有溶胶凝胶法制备的5wt％颗粒直径为25nm，比表面积290m2/g的纳米氧化锌颗粒、2wt％丙烯酸树脂粘接剂、0.6wt％三甲基氯硅烷偶联剂、0.2wt％羟基硅油憎水剂和0.3wt％硫酸乙酯固化剂的粘接体系悬浊液均匀喷洒在单根超细玻璃纤维上，火焰喷吹炉头1对应的雾化喷洒的喷射压力控制在3.5Mpa，喷射流量控制在230Kg/h；火焰喷吹炉头2对应的雾化喷洒的喷射压力控制在2.5Mpa，喷射流量控制在185Kg/h，然后将结合有粘接体系的两种不同叩解度的超细玻璃纤维通过45Hz负压引风作用下均匀吸附复合于同一成型网上。最后复合玻璃纤维棉毡经过130℃烘干处理3min制得光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡。制备出的光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡可以达到在可见光的条件下1h降解85％的50ml的10mg/L的罗丹明B溶液，定量80g/m2，过滤阻力125Pa，过滤效率80％，透气量190L/m2·min。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (4)
1.一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡，其特征在于，按质量百分比计，所述超细玻璃纤维棉毡包含以下组分：由83～92wt％超细玻璃纤维，6～8wt％光催化纳米级颗粒和1～3wt％粘接体系组成；所述超细玻璃纤维按质量百分比计，包含以下组分：SiO2：63～72.5wt％，R2O(Na2O+K2O)：9～12wt％，Al2O3：1～3.5wt％，MgO：2.5～4.5wt％，CaO：2～5.5wt％，B2O3：4～9wt％，Fe2O3+ZnO+BaO：1.5～5.5wt％，所述超细玻璃纤维由叩解度为39±1和32±1两种超细玻璃纤维组成，纤维网络结构孔隙率≥96.5％，所述光催化纳米级颗粒直径为15～35nm，比表面积185～350m2/g；
所述粘接体系包括粘结剂、偶联剂、憎水剂和固化剂，其中所述粘结剂为醋酸乙烯树脂、丙烯酸树脂、氯化橡胶、丁基橡胶、聚乙烯醇和环氧树脂中的一种或几种，含量占超细玻璃纤维棉毡的总重量的0.5～2wt％；所述偶联剂选用KH560、三甲基氯硅烷、六甲基二硅烷中的一种或几种，含量占超细玻璃纤维棉毡的总重量的0.3～0.8wt％；憎水剂选用羟基硅油、氨基硅油、和甲基硅油中的一种或几种，含量占超细玻璃纤维棉毡的总重量的0.1～0.5wt％；所述固化剂选用硫酸乙酯和硫酸铵一种或几种，含量占玻璃纤维棉的总重量的0.1～0.5wt％；
所述玻璃纤维棉毡的制备方法为：根据超细玻璃纤维配方成分选取适量的石英砂、钾长石、钠长石、白云石、方解石、纯碱、硼砂、碳酸钡、氧化锌和废平板玻璃，然后将选取制备超细玻璃纤维的原料混合均匀后投入窑炉中高温熔融成透明均匀的玻璃液，然后将透明均匀的玻璃液通过2条料道分别流过合金漏板1和合金漏板2分别形成一次玻璃纤维丝，所述窑炉煅烧温度为1450±10℃，玻璃液温度1150±10℃，料道温度1100±10℃，合金漏板1温度990±10℃，合金漏板2温度980±10℃，合金漏板1形成的一次玻璃纤维丝再经过火焰喷吹炉头1在温度为1015±10℃，对应的雾化喷洒的喷射压力控制在2～3.5Mpa，喷射流量控制在180～235Kg/h下形成叩解度为39±1的超细玻璃纤维，合金漏板2形成的一次玻璃纤维丝再经过火焰喷吹炉头2在温度为1000±10℃，对应的雾化喷洒的喷射压力控制在1.5～2.5Mpa，喷射流量控制在122～185Kg/h，负压引风频率控制在30～45Hz下形成叩解度为32±1的超细玻璃纤维，在两个火焰喷吹炉头在喷吹成纤两种不同叩解度超细玻璃纤维的同时将含有光催化纳米级颗粒和粘接体系的悬浊液均匀喷洒在单根超细玻璃纤维上，将结合有粘接体系的两种不同叩解度的超细玻璃纤维通过负压引风均匀吸附复合于同一成型网上，最后通过烘干制得光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡。
2.如权利要求1所述的一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡，其特征在于，所述光催化纳米级颗粒为微波合成反应法、沉淀法、溶胶凝胶法、水热法和氧化还原法制备出的纳米氧化锌、纳米氧化钛、纳米氧化锡、纳米二氧化锆、纳米硫化镉、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡，其特征在于，所述合金漏板1材质为PtRh6、PtRh10或PtRh20铂铑合金其中的一种，合金漏板2材质为GH605或GH4169钴镍合金中的一种。
4.如权利要求1所述的一种光催化空气净化用超细玻璃纤维棉毡，其特征在于，所述烘干处理为在120～135℃的烘房内烘制5±1min。
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