CN112295314B - 一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法 - Google Patents

一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法，(1)将纸浆添加驻留剂、驻极剂制成湿纸幅，纸幅定量为10～30g/m2；(2)将步骤(1)中所述湿纸幅水刺到水刺聚乳酸无纺布上，得到植物纤维‑聚乳酸无纺布过滤基材；(3)将步骤(2)中所述的过滤基材进行亲肤处理，使过滤材料具有良好的穿戴舒适性；(4)将经亲肤处理得到的过滤基材进行驻极处理，使过滤材料表面具有较高的静电电位，得到具有高过滤效率的可完全生物降解的过滤材料。所得过滤材料具有优异的穿戴舒适性、良好的机械使用性以及良好的驻极稳定性。满足过滤材料性能需求的同时，避免了由于一次性口罩的大量使用导致的医疗废物的大量产生。

Description

一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明属于新材料技术领域，尤其涉及一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法。
背景技术
天然植物纤维是完全可生物降解材料，而且植物纤维自身也是一种多孔材料，具有较高的比表面积和较强的吸附性，因此以植物纤维为原料制备生物可降解性空气过滤材料具有很大的发展潜力。
但是植物纤维作为空气过滤材料具有纤维短，断裂强度低，遇水后极易破损而失去防护效果、不可驻极等不足；而聚乳酸酸纤维由于具有比植物纤维较大的长径比，由其制备的无纺布具有比植物纤维纸基材料较强的物理强度，同时具有一定的可驻极性，遇水后材料具有很好的结构稳定性，可以很好的弥补植物纤维纸基作为过滤材料的不足。虽然聚乳酸纤维也具有可生物降解性，但是其自然降解周期相较于植物纤维要长；且聚乳酸的流动性能较差，其熔喷纤维较粗，过滤性能相对较差。
中国专利文件CN111155356A(202010013651.X)公开了一种降温过滤材料，通过将植物纤维分散液与PLA纤维分散液混合均匀后进行抄造，然后进行压光，得到降温过滤材料。但是，该过滤材料结构致密，过滤阻力极大，且将两种纤维材料简单混合后抄造所得过滤材料仅能过滤烟气中的大颗粒物质，作为空气过滤材料其过滤性能仍然较低。
另外，将植物纤维和聚乳酸纤维混合制备植物纤维-聚乳酸过滤材料，面临着聚乳酸纤维难以分散的问题，不仅会导致形成的基材匀度极差，还会影响过滤基材的驻极效果，这些都会影响材料的过滤性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法。本发明使用天然植物纤维水刺聚乳酸无纺布获得完全可生物降解的过滤基材，再经过亲肤处理、驻级处理，赋予其良好的穿戴的舒适性与较高的过滤效率，克服了天然植物纤维和聚乳酸材料两者结合使用过程中存在的驻极效果差、过滤效率低的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种完全可生物降解的过滤材料，其特征在于，
定量为20g/m2～60g/m2；过滤效率为85％～99％；呼吸阻力为80Pa～200Pa；驻极后表面电位为1400V～1500V；横向抗张强度为0.2kN/m～0.3kN/m；纵向抗张强度1.0kN/m～3.0kN/m；紧度为0.2g/cm3～0.5g/cm3。
优选的，定量为30～40g/m2；过滤效率≥90％；呼吸阻力为80～160Pa；驻极后表面电位为1400～1500V；横向抗张强度为0.2～0.3kN/m；纵向抗张强度2.0～3.0kN/m；紧度为0.4～0.5g/cm3。
优选的，上述过滤材料由天然植物纤维通过水刺加工水刺到聚乳酸无纺布上得到的。其中，植物纤维和聚乳酸无纺布的质量比为2:1～3。优选为20:13。
本发明还提供上述可生物降解的过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纸浆添加驻留助滤剂、驻极剂制成湿纸幅，纸幅定量为10～30g/m2；
(2)将步骤(1)中所述湿纸幅水刺到水刺聚乳酸无纺布上，得到植物纤维-聚乳酸无纺布过滤基材；
(3)将步骤(2)中所述的过滤基材进行亲肤处理，使过滤材料具有良好的穿戴舒适性；
(4)将经亲肤处理得到的过滤基材经干燥处理后，进行驻极处理，使过滤材料表面具有较高的静电电位，得到具有高过滤效率的可完全生物降解的过滤材料。
优选的，步骤(1)中所述纸浆包括制浆造纸领域易获得的针叶木浆、阔叶木浆、麦草浆、棉浆、棉短绒浆、竹浆及以天然纤维为原料通过物理和化学方法制得的纸浆纤维素，进一步优选为棉短绒浆。
优选的，步骤(1)中，纸浆经粘状打浆、上浆系统，使用斜网纸机制备湿纸幅；进一步优选的，上浆系统中，上浆浓度为0.5％～1.5％，优选的上浆浓度为1％。
优选的，步骤(1)中所述驻留剂为阳离子聚丙酰胺，用量为纸浆绝干质量的2％，驻极剂为无机驻极剂，主要为电气石粉、氮化硅等，添加量为纸浆绝干质量的10％～30％，优选的为20％。纸幅定量优选为20g/m2。
优选的，步骤(2)中所述水刺聚乳酸无纺布为市售产品或者市售聚乳酸无纺布经过预处理得到。
进一步优选的，步骤(2)中所述的市售聚乳酸无纺布进行预处理的工艺如下：
商品聚乳酸无纺布的定量为8～15g/m2，优选的为13g/m2；
预水刺遍数为1～4次，优选的为1次；
预水刺水压为20～80bar，优选的为50bar；
水针板与纤网之间的距离为0～30mm，优选的为5mm。
对聚乳酸无纺布进行预水刺处理可使蓬松的无纺布压实，排除基材中的空气，可以加强后续水刺过程中，基材对水针能量的吸收，加强水刺过程中纤维的缠结。
优选的，步骤(2)中湿纸幅水刺到水刺聚乳酸无纺布上，其条件为：
水刺水压为10-50bar，优选的为30bar；
水针板与纤网之间的距离为0-30mm，优选的为20mm。
优选的，步骤(3)中所述的亲肤处理使用浸或者喷涂手感剂的方式进行，使用的手感剂为线性聚二甲基硅氧烷溶液。手感剂的使用量为纸浆绝干质量的为2～5％，优选的为3％。
优选的，步骤(4)中驻极条件如下：
驻极距离为1～10cm，优选的为4cm；
驻极电压为10～50kV，优选的为30kV；
驻极温度为30～100℃，优选的为40℃；
驻极时间为1～10min，优选的为3min。
本发明通过采用植物纤维基湿纸幅水刺到聚乳酸无纺布，结合亲肤处理与驻极处理制备一种可完全生物降解的过滤材料。解决了制备口罩等所需过滤材料不可生物降解导致的环境问题，以及植物纤维作为过滤材料过滤效率低、强度低等问题。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
本发明以天然植物纤维与聚乳酸纤维无纺布为基材制备出完全可生物降解的过滤材料，且具有优异的穿戴舒适性、良好的机械使用性以及良好的驻极稳定性。满足过滤材料性能需求的同时，避免了由于一次性口罩的大量使用导致的医疗废物的大量产生，对环境造成的极大危害以及可能造成的二次污染问题。树立绿色生产和环保减碳的理念，推动口罩产业的可持续发展。
通过水刺工艺将湿纸幅水刺到预水刺处理的无纺布上，与直接将纸浆和聚乳酸混合制备植物纤维-聚乳酸过滤材料相比，具有以下优势：首先，纸浆纤维与聚乳酸纤维混合抄纸，面临着聚乳酸纤维难以分散的问题，不仅会导致形成的基材匀度极差，还会限制聚乳酸纤维的用量，后续得到的过滤基材难以获得良好的驻极效果。这都会影响材料的过滤性能；如果将植物纤维过滤材料与聚乳酸无纺布直接叠加使用，首先两者由于表面自由能的存在差异，很难结合紧密；即使采用一定的技术进行复合，由于材料两面的差异性，会导致材料的变形等问题，甚至还会影响其过滤性能，最终会导致材料在使用过程中的种种问题。
具体实施方式
下面结合实施案例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明实施例所用原料除非特别说明均为普通市售产品，所用加工方法除非特别说明均为造纸领域惯用手段。
漂白硫酸盐法针叶木浆、碱法阔叶木浆购自大连杨润贸易有限公司；绒毛浆购自灵寿县阔源矿产品加工厂；
手感剂：道康宁205SL,有效成分为线性聚二甲基硅氧烷，有效成分含量为50％，溶剂为乙二醇。
过滤性能测试：
参考GB19083-2003《医用防护口罩技术要求》中的方法测试材料对颗粒物的过滤效率和气流阻力。测试装置采用美国TSI3160分级效率测试台，测试介质是计数中位径为0.075μm的NaCl气溶胶，测试气体流量为32L/min。
驻极设备使用FRASER7080静电发生器；
驻极性能测速：EFM022静电场测试仪。
实施例1：
一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)选用漂白硫酸盐法针叶木浆，通过PFI打浆后，配制浆浓1％，添加相对于纸浆绝干质量20％的电气石粉，添加纸浆绝干质量2％的分子量为800万的阳离子聚丙烯酰胺为驻留剂，使用斜网纸机成型，纸基定量为20g/m2。
(2)选用定量13g/m2的聚乳酸无纺布，首先进行1次水刺处理，水压为50bar，距离为5mm。然后将湿纸幅水刺到聚乳酸水刺无纺布上，水压为30bar，距离为20mm，获得植物纤维水刺聚乳酸无纺布过滤材料。
(3)通过浸手感剂的方法进行亲肤处理，手感剂主要成分为线性聚二甲基硅氧烷，用量为纸浆绝干质量的3％。
(4)将经亲肤处理得到的过滤基材经干燥处理后，进行驻极处理，驻极距离为4cm，驻极电压为30kV，驻极温度为40℃，驻极时间为3min。最终得到具有高过滤效率的可完全生物降解的过滤材料，本实施例得到的复合过滤材料的定量是36.5±0.5g/m2，过滤效率为95％，过滤阻力80Pa。驻极后电位1500V，抗张强度0.24kN/m，纵向抗张强度2.3kN/m，紧度为0.43g/cm3。
实施例2：
一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)选用硫酸盐法针叶木浆，通过PFI打浆后，配制浆浓0.5％，添加相对于纸浆绝干质量20％的电气石粉，添加纸浆绝干质量2％的分子量为800万的阳离子聚丙烯酰胺为驻留剂，使用斜网纸机成型，纸基定量为20g/m2。
(2)选用定量13g/m2的聚乳酸无纺布，首先进行1次水刺处理，水压为50bar，距离为5mm。然后将湿纸幅水刺到聚乳酸水刺无纺布上，水压为50bar，距离为20mm，获得植物纤维水刺聚乳酸无纺布过滤材料。
(3)通过浸手感剂的方法进行亲肤处理，手感剂主要成分为线性聚二甲基硅氧烷，用量为纸浆绝干质量的2％。
(4)经干燥处理后，进行驻极处理，驻极距离为4cm，驻极电压为30kV，驻极温度为40℃，驻极时间为3min。最终得到具有高过滤效率的可完全生物降解的过滤材料，本实施例得到的复合过滤材料的定量是36.5±0.5g/m2。过滤效率为97％，过滤阻力120Pa。驻极后电位1400V，抗张强度0.3kN/m，纵向抗张强度2.6kN/m，紧度为0.43g/cm3。
实施例3：
一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)选用硫酸盐法针叶木浆，通过PFI打浆后，配制浆浓1.5％，添加相对于纸浆绝干质量20％的氮化硅，添加纸浆绝干纸浆2％的分子量为800万的阳离子聚丙烯酰胺为驻留剂，使用斜网纸机成型，纸基定量为20g/m2。
(2)选用定量13g/m2的聚乳酸无纺布，首先进行1次水刺处理，水压为50bar，距离为5mm。然后将湿纸幅水刺到聚乳酸水刺无纺布上，水压为50bar，距离为20mm，获得植物纤维水刺聚乳酸无纺布过滤材料。
(3)通过浸手感剂的方法进行亲肤处理，手感剂主要成分为线性聚二甲基硅氧烷，用量为纸浆绝干质量2％。经干燥处理后，进行驻极处理，驻极距离为4cm，驻极电压为30kV，驻极温度为40℃，驻极时间为3min。最终得到具有高过滤效率的可完全生物降解的过滤材料，本实施例得到的复合过滤材料的定量是36.5±0.5g/m2。过滤效率为90％，过滤阻力160Pa。驻极后电位1500V，抗张强度0.21kN/m，纵向抗张强度2.0kN/m，紧度为0.45g/cm3。
对比例1：
一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)选用硫酸盐法针叶木浆，通过PFI打浆后，按照质量比20:13的比例与聚乳酸纤维进行复配，充分分散配制浓度为1％的纤维悬浮液，添加纸浆绝干质量20％的电气石粉，添加纸浆绝干质量2％的分子量800万的阳离子聚丙烯酰胺为驻留剂，使用斜网纸机成型，得到纸基过滤材料。
(2)通过浸渍手感剂的方法进行亲肤处理，手感剂主要成分为线性聚二甲基硅氧烷，用量为纸浆绝干质量的2％。
(3)经干燥处理后，进行驻极处理，驻极距离为4cm，驻极电压为30kV，驻极温度为40℃，驻极时间为3min。
所得复合过滤材料的定量是36.5±0.5g/m2。过滤效率为60％，过滤阻力300Pa。驻极后电位800V，抗张强度0.16kN/m，纵向抗张强度1.0kN/m，紧度为0.55g/cm3。
对比例2：
一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)选用硫酸盐法针叶木浆，通过PFI打浆后，配制浆浓1％，添加相对于纸浆绝干质量20％的电气石粉，添加纸浆绝干质量2％的分子量800万的阳离子聚丙烯酰胺为驻留剂，使用斜网纸机成型，纸基定量为20g/m2。
(2)选用定量13g/m2的聚乳酸无纺布，直接与植物纤维纸基进行叠放，通过浸渍手感剂的方法进行亲肤处理，手感剂主要成分为线性聚二甲基硅氧烷，用量为纸浆绝干质量的2％。
(3)经干燥处理后，将步骤(2)所得聚乳酸无纺布与植物纤维纸基的叠加材料进行驻极处理，驻极距离为4cm，驻极电压为30kV，驻极温度为40℃，驻极时间为3min，得到过滤材料。驻极后无纺布层电位800V，植物纤维基层900V。
(4)定量是37±0.5g/m2，过滤效率为40％，过滤阻力600Pa。两层材料结合不紧密，容易分层，由于过滤材料结构不稳定，难以测试其抗张强度与紧度。
对比例3：
一种过滤材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)选用漂白硫酸盐法针叶木浆，通过PFI打浆后，配制浆浓1％，添加相对于纸浆绝干质量20％的电气石粉，添加纸浆绝干质量2％的分子量为800万的阳离子聚丙烯酰胺为驻留剂，使用斜网纸机成型，纸基定量为20g/m2。
(2)选用定量13g/m2的聚丙烯无纺布，首先进行1次水刺处理，水压为50bar，距离为5mm。然后将湿纸幅水刺到聚乳酸水刺无纺布上，水压为30bar，距离为20mm，获得植物纤维水刺聚乳酸无纺布过滤材料。
(3)通过浸渍手感剂的方法进行亲肤处理，手感剂主要成分为线性聚二甲基硅氧烷，用量为纸浆绝干质量的3％。
(4)经干燥处理后，进行驻极处理，驻极距离为4cm，驻极电压为30kV，驻极温度为40℃，驻极时间为3min。
所得复合过滤材料的定量是37±0.5g/m2，过滤效率为94％，过滤阻力90Pa。驻极后电位1400V，抗张强度0.26kN/m，纵向抗张强度2.5kN/m，紧度为0.43g/cm3，但是其可降解性比实施例1所得材料差。
对比例4：
一种完全可生物降解的过滤材料及其制备方法，包括以下步骤：
(1)选用漂白硫酸盐法针叶木浆，通过PFI打浆后，配制浆浓1％，添加纸浆绝干质量2％的分子量为800万的阳离子聚丙烯酰胺为驻留剂，使用斜网纸机成型，纸基定量为20g/m2。
(2)选用定量13g/m2的聚乳酸无纺布，首先进行1次水刺处理，水压为50bar，距离为5mm。然后将湿纸幅水刺到聚乳酸水刺无纺布上，水压为30bar，距离为20mm，获得植物纤维水刺聚乳酸无纺布过滤材料。
(3)通过浸渍手感剂的方法进行亲肤处理，手感剂主要成分为线性聚二甲基硅氧烷，用量为纸浆绝干质量的3％。
(4)经干燥处理后，进行驻极处理，驻极距离为4cm，驻极电压为30kV，驻极温度为40℃，驻极时间为3min。
所得复合过滤材料的定量是33±0.5g/m2，过滤效率为65％，过滤阻力80Pa。驻极后电位500V，抗张强度0.26kN/m，纵向抗张强度2.5kN/m，紧度为0.40g/cm3。

Claims (16)

1.一种完全可生物降解的过滤材料，其特征在于，定量为20g/m2~60g/m2；过滤效率为85%~99%；呼吸阻力为80Pa~200Pa；驻极后表面电位为1400~1500V；横向抗张强度为0.2kN/m~0.3kN/m；纵向抗张强度1.0kN/m ~3.0kN/m；紧度为0.2g/cm3~0.5 g/cm3；所述过滤材料是天然植物纤维通过水刺加工水刺到聚乳酸无纺布上得到的；其中，植物纤维和聚乳酸无纺布的质量比为2: 1~3。
2.权利要求1所述可生物降解的过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将纸浆添加驻留助滤剂、驻极剂制成湿纸幅，纸幅定量为10~30g/m2；
（2）将步骤（1）中所述湿纸幅水刺到水刺聚乳酸无纺布上，得到植物纤维-聚乳酸无纺布过滤基材；
（3）将步骤（2）中所述的过滤基材进行亲肤处理，使过滤材料具有良好的穿戴舒适性；
（4）将经亲肤处理得到的过滤基材经干燥后，进行驻极处理，使过滤材料表面具有较高的静电电位，得到具有高过滤效率的可完全生物降解的过滤材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述纸浆包括制浆造纸领域易获得的针叶木浆、阔叶木浆、麦草浆、棉浆、棉短绒浆、竹浆及以天然纤维为原料通过物理和化学方法制得的纸浆纤维素。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，纸浆经粘状打浆、上浆系统，使用斜网纸机制备湿纸幅。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，上浆系统中，上浆浓度为0.5%~1.5%。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述上浆浓度为1%。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述驻留剂为阳离子聚丙酰胺，用量为纸浆绝干质量的2%，驻极剂为无机驻极剂，包括电气石粉、氮化硅中的一种或几种，添加量为纸浆绝干质量的10%~30%。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述无机驻极剂添加量为纸浆绝干质量的20%。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）中所述水刺聚乳酸无纺布为市售产品或者由市售聚乳酸无纺布经预水刺处理得到。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤（2）中对市售聚乳酸无纺布进行预水刺的工艺如下：
市售聚乳酸无纺布的定量为8~15g/m2；预水刺遍数为1~4次；预水刺水压为20~80bar；
水针板与纤网之间的距离为 0~30mm。
11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）中湿纸幅水刺到水刺聚乳酸无纺布上的加工条件为：
水刺水压为10~50bar；
水针板与纤网之间的距离为0~30mm。
12.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）中湿纸幅水刺到水刺聚乳酸无纺布上的加工条件为：
水刺水压为30 bar；
水针板与纤网之间的距离为20 mm。
13.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述的亲肤处理使用浸或者喷涂手感剂的方式进行，使用的手感剂为线性聚二甲基硅氧烷溶液。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，手感剂用量为纸浆绝干质量的2~5%。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，手感剂用量为纸浆绝干质量的为3%。
16.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（4）中驻极条件如下：
驻极距离为1~10 cm；驻极电压为10~50 kV；驻极温度为30~100 ℃；驻极时间为1~10min。
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