CN112057951A - 一种微纳交叠结构的三维非织造过滤材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳交叠结构的三维非织造过滤材料及其制备方法。所述制备方法为：将对位芳纶材料经梳理针刺加过后，用磷酸溶液进行处理，制备微纳交叠结构的三维非织造过滤材料。本发明改善了现有过滤材料在过滤效率和过滤阻力之间的平衡问题，磷酸处理过程中产生的细长纳米纤维填充在主体微米纤维之间较大的孔隙中，减小了材料的孔径，提高了过滤效率，但不会引起过滤阻力的增加。本发明采用高强度、耐高温、耐溶剂的对位芳纶纤维，制备的过滤材料具有高效低阻的特性，能够极大程度的满足工业使用的要求。

Description

一种微纳交叠结构的三维非织造过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明属于空气过滤材料技术领域，具体涉及一种微纳交叠结构的三维非织造过滤材料及其制备方法。
背景技术
环境空气污染问题已经越来越得到了人们的重视，这些污染来源于工业生产排放，汽车尾气排放，居民垃圾焚烧处理排放，除了对环境的有害影响外，这些微小的固体颗粒长期被吸入体内，会因其毒性或致癌作用对人体健康造成严重损害。现有的传统针刺过滤材料，存在过滤效率低的问题，目前的解决方案主要是在其表面进行覆膜处理。但在实际使用过程中发现，覆膜后的过滤材料一方面过滤阻力明显增加，风机能耗增加；另一方面，膜自身的强力不够，在受到外力拉伸或冲击时，易发生破裂，严重降低实际使用过程中的过滤效率。通过降低纤维的尺度，采用纳米纤维工艺制备的过滤材料其过滤效率显著提高，但也带来了材料强力低，过滤阻力大，容尘量小的问题。因此，开发一种能够节约能耗的高滤效低阻力的空气过滤材料的制备方法就显得格外重要。
专利号CN103537198A公开了一种高强度、耐高温、耐溶剂的Kevlar纳米纤维多孔膜及其制备方法与应用；专利号CN110373814A公开了一种对位芳纶纳米纤维膜及其制备方法；专利号CN108316056A公开了一种芳纶纳米纤维薄膜复合的芳纶纸及其制备方法。上述研究虽制备出了芳纶纳米纤维，降低了纤维直径，但其存在所制备材料为二维结构，容尘量低，且纤维膜力学强度差、纳米纤维网状结构组分单一、功能性不足等缺陷,严重限制了该材料的实际应用。
发明内容
本发明所要解决的问题是：现有技术制得的空气过滤材料存在传统针刺材料过滤效率低，而纳米材料过滤阻力大，能耗高的问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法，其特征在于，将对位芳纶材料经梳理针刺加过后，用磷酸溶液进行处理，制备微纳交叠结构的三维非织造过滤材料。
优选地，上述制备方法包括以下步骤：
第一步：将对位芳纶纤维喂入开松机进行开松，得到松散的纤维；
第二步：将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杂乱排列的纤维网；
第三步：将第二步得到的纤维网通过输网帘输送至交叉铺网机进行铺叠，得到铺叠后的纤维网；
第四步：将铺叠后的纤维网通过输网帘输送至牵伸机进行牵伸，得到表面平整度和均匀的纤维网；
第五步：将第四步得到的纤维网通过输网帘输送至针刺系统，依次进行预针刺和主针刺加固，根据生产要求，控制预针刺和主针刺道数，针刺密度，针刺频率和针刺深度，得到对位芳纶非织造过滤材料；
第六步：将对位芳纶非织造过滤材料置入无水乙醇中超声清洗，去除表面油剂，再用去离子水清洗后输送至烘箱烘干，得到清洁后的非织造过滤材料；
第七步：将清洁后的非织造过滤材料置入含有磷酸溶液的水槽中，水槽内溶液涡流旋转，并持续保持水温恒定，处理后，转移至另一水槽，使用干净流水清洁至水溶液呈中性，最后送至烘箱烘干，得到微纳交叠结构的三维非织造过滤材料。
更优选地，所述第一步中的对位芳纶微米纤维直径为10-25μm，纤维长度为35-55mm。
更优选地，所述第三步得到的铺叠后的纤维网的厚度为60-200mm。
更优选地，所述第五步得到的对位芳纶非织造过滤材料的克重为100-800g/m2，孔径分布为20-80μm。
更优选地，所述第六步中无水乙醇的纯度为99.7％，体积浓度为98％，无水乙醇的清洗时间为10-20min；去离子水的清洗时间为10-20min。
更优选地，所述第七步中磷酸溶液的体积浓度为20-40％，涡流的转速为300-1000r/min，溶液温度为40-60℃，处理时间为2-4h。
本发明还提供了一种上述微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法所制得的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料。
优选地，所述微纳交叠结构的三维非织造过滤材料中的芳纶微米纤维上分裂出尺寸为纳米级的纤维分叉，该纤维分叉的直径为100-500nm，且纤维分叉沿着芳纶微米纤维轴向均匀分布，填充于微米纤维之间的大孔中。
优选地，所述微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的克重为100-800g/m2，孔径分布为10-50μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明的的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料及其制备方法，与同类过滤材料相比，能耗低，制备过程工艺简单，成本低廉。同时该三维过滤材料具有优异的耐温防火、耐酸碱腐蚀等性能,在过滤、个体防护等领域具有广阔的应用前景。
(2)本发明中第七步，非织造材料在磷酸溶液的剪切和化学共同作用下，使得材料中对位芳纶微米纤维的皮层逐渐剥离分裂成纳米尺寸的细长纤维，产生原纤化现象，细长的纳米纤维填充在主体微米纤维之间的大孔隙中，有效降低了材料的孔径，提高了材料对于固体颗粒的拦截效率，但没有增加过滤阻力。
(3)本发明的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料，原纤化产生的细长纳米纤维较大的比表面积，有利于该三维非织造过滤材料与其他材料的复合，增加了该过滤材料的功能性。
(4)采用TSI 8130滤料综合性能测试台测试，氯化钠气溶胶中的微粒中值直径为0.26μm时，过滤装置中复合纤维滤料的过滤效率为65-89％，过滤阻力为1.3-3.8Pa。
附图说明
图1为实施例1提供的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的场发射扫描电子显微镜照片；
图2为本发明提供的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种微纳交叠结构的三维非织造过滤材料及其制备方法：
选取直径为10-25μm，长度为35-55mm的对位芳纶纤维，喂入至开松机进行开松，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纤维网，纤网厚度为100mm。将纤网通过输网帘输送至交叉铺网机进行铺叠，随后经牵伸机进行牵伸，经针刺机组进行预针刺和主针刺加固，针刺密度为600刺/cm2，得到克重为200g/m2的对位芳纶非织造空气过滤材料；
将针刺后的非织造过滤材料置入体积浓度98％的无水乙醇中超声清洗10min,去除表面油剂，再用去离子水清洗20min后输送至烘箱烘干。然后放入体积分数为30％磷酸溶液中，溶液涡流旋转，转速为500rpm，并保持水温恒定为50℃，处理4h后，使用干净流水清洁至水溶液呈中性，最后送至烘箱烘干，得到一种微纳交叠结构的三维非织造空气过滤材料。
采用TSI 8130滤料综合性能测试台测试，氯化钠气溶胶中的微粒中值直径为0.26μm时，针刺后芳纶非织造材料的过滤效率为34％，过滤阻力为1.9Pa；经磷酸溶液处理后得到的微纳交叠结构的三维非织造空气过滤材料的过滤效率为79％，过滤阻力为2.0Pa。
实施例2
一种微纳交叠结构的三维非织造过滤材料及其制备方法：
选取直径为10-25μm，长度为35-55mm的对位芳纶纤维，喂入至开松机进行开松，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纤维网，纤网厚度为200mm。将纤网通过输网帘输送至交叉铺网机进行铺叠，随后经牵伸机进行牵伸，经针刺机组进行预针刺和主针刺加固，针刺密度为800刺/cm2，得到克重为400g/m2的对位芳纶非织造空气过滤材料；
将针刺后的非织造过滤材料置入体积浓度98％的无水乙醇中超声清洗15min,去除表面油剂，再用去离子水清洗20min后输送至烘箱烘干。然后放入体积分数为40％磷酸溶液中，溶液涡流旋转，转速为700rpm，并保持水温恒定为55℃，处理4h后，使用干净流水清洁至水溶液呈中性，最后送至烘箱烘干，得到一种微纳交叠结构的三维非织造空气过滤材料。
采用TSI 8130滤料综合性能测试台测试，氯化钠气溶胶中的微粒中值直径为0.26μm时，针刺后芳纶非织造材料的过滤效率为45％，过滤阻力为3.6Pa；经磷酸溶液处理后得到的微纳交叠结构的三维非织造空气过滤材料的过滤效率为89％，过滤阻力为3.6Pa。
实施例3
本实施例提供了一种微纳交叠结构的三维非织造过滤材料及其制备方法：
选取直径为10-25μm，长度为35-55mm的对位芳纶纤维，喂入至开松机进行开松，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纤维网，纤网厚度为150mm。将纤网通过输网帘输送至交叉铺网机进行铺叠，随后经牵伸机进行牵伸，经针刺机组进行预针刺和主针刺加固，针刺密度为600刺/cm2，得到克重为300g/m2的对位芳纶非织造空气过滤材料；
将针刺后的非织造过滤材料置入体积浓度98％的无水乙醇中超声清洗20min,去除表面油剂，再用去离子水清洗20min后输送至烘箱烘干。然后放入体积分数为20％磷酸溶液中，溶液涡流旋转，转速为600rpm，并保持水温恒定为50℃，处理3h后，使用干净流水清洁至水溶液呈中性，最后送至烘箱烘干，得到一种微纳交叠结构的三维非织造空气过滤材料。
采用TSI 8130滤料综合性能测试台测试，氯化钠气溶胶中的微粒中值直径为0.26μm时，针刺后芳纶非织造材料的过滤效率为40％，过滤阻力为2.1Pa；经磷酸溶液处理后得到的微纳交叠结构的三维非织造空气过滤材料的过滤效率为82％，过滤阻力为2.2Pa。

Claims (10)

1.一种微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法，其特征在于，将对位芳纶材料经梳理针刺加过后，用磷酸溶液进行处理，制备微纳交叠结构的三维非织造过滤材料。
2.如权利要求1所述的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将对位芳纶纤维喂入开松机进行开松，得到松散的纤维；
第二步：将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杂乱排列的纤维网；
第三步：将第二步得到的纤维网通过输网帘输送至交叉铺网机进行铺叠，得到铺叠后的纤维网；
第四步：将铺叠后的纤维网通过输网帘输送至牵伸机进行牵伸，得到表面平整度和均匀的纤维网；
第五步：将第四步得到的纤维网通过输网帘输送至针刺系统，依次进行预针刺和主针刺加固，根据生产要求，控制预针刺和主针刺道数，针刺密度，针刺频率和针刺深度，得到对位芳纶非织造过滤材料；
第六步：将对位芳纶非织造过滤材料置入无水乙醇中超声清洗，去除表面油剂，再用去离子水清洗后输送至烘箱烘干，得到清洁后的非织造过滤材料；
第七步：将清洁后的非织造过滤材料置入含有磷酸溶液的水槽中，水槽内溶液涡流旋转，并持续保持水温恒定，处理后，转移至另一水槽，使用干净流水清洁至水溶液呈中性，最后送至烘箱烘干，得到微纳交叠结构的三维非织造过滤材料。
3.如权利要求2所述的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法，其特征在于，所述第一步中的对位芳纶微米纤维直径为10-25μm，纤维长度为35-55mm。
4.如权利要求2所述的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法，其特征在于，所述第三步得到的铺叠后的纤维网的厚度为60-200mm。
5.如权利要求2所述的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法，其特征在于，所述第五步得到的对位芳纶非织造过滤材料的克重为100-800g/m2，孔径分布为20-80μm。
6.如权利要求2所述的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法，其特征在于，所述第六步中无水乙醇的纯度为99.7％，体积浓度为98％，乙醇的清洗时间为10-20min；去离子水的清洗时间为10-20min。
7.如权利要求2所述的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法，其特征在于，所述第七步中磷酸溶液的体积浓度为20-40％，涡流的转速为300-1000r/min，溶液温度为40-60℃，处理时间为2-4h。
8.一种权利要求1-7任意一项所述的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的制备方法所制得的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料。
9.如权利要求8所述的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料，其特征在于，所述微纳交叠结构的三维非织造过滤材料中的芳纶微米纤维上分裂出尺寸为纳米级的纤维分叉，该纤维分叉的直径为100-500nm，且纤维分叉沿着芳纶微米纤维轴向均匀分布，填充于微米纤维之间的大孔中。
10.如权利要求8所述的微纳交叠结构的三维非织造过滤材料，其特征在于，所述微纳交叠结构的三维非织造过滤材料的克重为100-800g/m2，孔径分布为10-50μm。
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