CN112695530A - 一种除湿转轮用吸附除湿材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种除湿转轮用吸附除湿材料及其制备方法和应用，该材料包括基材、覆设在基材上的吸湿层，吸湿层由复合浆料涂覆在基材上形成，复合浆料包括：聚丙烯酸钠、水性聚氨酯和溶剂；水性聚氨酯通过如下方法制备：使多异氰酸酯和亲水性多元醇进行第一反应制成聚氨酯预聚体，加入含有羧基的亲水性扩链剂和分子量小于等于200的含羟基的小分子扩链剂，进行第二反应，加入含羟基的水溶性聚合物，进行第三反应，生成；制备：将基材浸泡在复合浆料中，烘干，制成；及采用上述除湿转轮用吸附除湿材料作为轮芯材料的除湿转轮；该吸附除湿材料能够作为除湿转轮的轮芯材料，尤其是能够兼具较高除湿量和较低再生温度，并且具有良好力学强度等性能。
Description
技术领域
本发明涉及气体除湿技术领域，尤其涉及一种除湿转轮用吸附除湿材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高和生产技术的飞速发展，各领域中对于空气湿度的要求也越来越高。在空调系统中增加除湿设备可以显著降低空调本身的能耗；在食品行业中，对空气进行湿度控制可以有效抑制细菌滋生延长产品保质期；在半导体与电子行业中，更是对生产车间的湿度条件有着严格要求，过高的湿度将会严重影响产品性能。
传统的除湿技术有冷冻除湿、液体吸收剂除湿与固体吸附剂除湿等。除此之外，转轮除湿也是工业上常用的一种除湿技术，与冷冻除湿法相比，转轮除湿能够达到更低的露点；与液体吸收剂除湿法相比，转轮除湿也避免了吸湿剂的腐蚀问题；与固体吸附剂除湿法相比，转轮除湿具有连续性，再生过程更为方便简单。目前除湿转轮中最常用的轮芯材料为硅胶和分子筛，硅胶具有较高的吸附容量，而分子筛则适用于低露点需求的工况下。但即使是脱附要求较低的硅胶转轮，也需要100℃左右的脱附温度，因此如何在达到除湿要求的情况下尽可能降低脱附温度成了该类材料的研究热点。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的不足，提供了一种改进的除湿转轮用吸附除湿材料，该除湿转轮用吸附除湿材料能够作为除湿转轮的轮芯材料，尤其是能够兼具较高除湿量和较低再生温度，并且具有良好力学强度等性能。
本发明同时还提供了一种上述除湿转轮用吸附除湿材料的制备方法。
本发明同时还提供了一种除湿转轮。
为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案如下：
一种除湿转轮用吸附除湿材料，所述除湿转轮用吸附除湿材料包括基材、覆设在所述基材上的吸湿层，所述吸湿层由复合浆料涂覆在所述基材上形成，所述复合浆料包括如下组分：聚丙烯酸钠、水性聚氨酯和溶剂；其中，所述水性聚氨酯的原料包括多异氰酸酯、亲水性多元醇、含有羧基的亲水性扩链剂、分子量小于等于200的含羟基的小分子扩链剂和含羟基的水溶性聚合物；
所述水性聚氨酯通过如下方法制备：使多异氰酸酯和亲水性多元醇进行第一反应制成聚氨酯预聚体，加入含有羧基的亲水性扩链剂和分子量小于等于200的含羟基的小分子扩链剂，进行第二反应，加入含羟基的水溶性聚合物，进行第三反应，生成所述水性聚氨酯。
根据本发明的一些优选方面，所述多异氰酸酯与所述亲水性多元醇的投料质量比为1∶0.2-2.5。
根据本发明的一些优选方面，所述多异氰酸酯为选自甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、改性二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种的组合。
根据本发明的一些优选方面，所述亲水性多元醇为分子量为400-2000的聚乙二醇。根据本发明的一个具体方面，所述亲水性多元醇包括但不限于聚乙二醇400(PEG 400)、聚乙二醇1000(PEG 1000)或聚乙二醇2000(PEG 2000)，可以商购获得。
根据本发明的一些优选方面，使所述第一反应在催化剂存在、在保护气体保护下、在60-90℃下进行，所述催化剂包括二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，所述保护气体可以为氮气或氩气等。
在本发明的一些实施方式中，所述催化剂的添加量占所述多异氰酸酯的添加量的0.2-2％。
在本发明的一些实施方式中，所述第一反应的反应时间为1-4h。
根据本发明的一些优选方面，所述多异氰酸酯、所述含有羧基的亲水性扩链剂和所述含羟基的小分子扩链剂的投料质量比为1∶0.0.8-0.35∶0.1-0.2。
根据本发明的一些优选方面，所述含有羧基的亲水性扩链剂为选自2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)、2,2-二羟甲基丁酸(DMBA)和间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠(SIPM)中的一种或多种的组合。
根据本发明的一些优选方面，所述含羟基的小分子扩链剂为选自乙二醇(EG)、1,4-丁二醇(BDO)和二乙醇胺(DEA)中的一种或多种的组合。
根据本发明的一些优选方面，使所述第二反应在保护气体保护下、在60-90℃下进行，所述保护气体可以为氮气或氩气等。
在本发明的一些实施方式中，所述第二反应的反应时间为1-4h。
根据本发明的一些优选方面，所述含羟基的水溶性聚合物为羧甲基纤维素钠(CMC-Na)和/或羧甲基淀粉钠(CMS-Na)。
本发明中，所述羧甲基纤维素钠在25℃时的粘度为50-200mpa·s，所述羧甲基淀粉钠在25℃时的粘度为50-200mpa·s。
根据本发明的一些优选方面，使所述第三反应在50-80℃下、在保护气体保护下进行反应，所述保护气体可以为氮气或氩气等。
在本发明的一些实施方式中，所述第三反应的反应时间为0.5-1.5h。
根据本发明的一些优选方面，以质量份数计，所述水性聚氨酯的原料中，多异氰酸酯100份、亲水性多元醇20-250份、含有羧基的亲水性扩链剂8-35份、分子量小于等于200的含羟基的小分子扩链剂10-20份和含羟基的水溶性聚合物5-50份，还选择性地包括5-15份的中和剂，所述中和剂包括三乙胺(TEA)、三乙醇胺(TEOA)。
根据本发明的一些具体且优选的方面，当使用DMPA或DMBA为含有羧基的亲水性扩链剂时，其对应的中和剂为TEA或TEOA中的一种，当使用SIPM为含有羧基的亲水性扩链剂时无需加入中和剂。
根据本发明的一些优选方面，所述溶剂为水。
根据本发明的一些优选方面，所述复合浆料由固含量为5-15wt％的聚丙烯酸钠溶液与固含量为35-45wt％的水性聚氨酯乳液混合制成，所述聚丙烯酸钠溶液通过将聚丙烯酸钠(PAA-Na)分散在水中制成，所述水性聚氨酯乳液通过将水性聚氨酯分散在水中乳化制成，所述聚丙烯酸钠溶液与所述水性聚氨酯乳液的投料体积比为1∶1-2。
在本发明的一些实施方式中，上述所述的中和及乳化时的温度为20-50℃，中和时间为5-20min，乳化时间为10-60min。
本发明提供的又一技术方案：一种上述所述的除湿转轮用吸附除湿材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
将基材浸泡在复合浆料中，然后烘干，制成；其中，所述浸泡的浸泡时间为0.5-3h，所述烘干的烘干温度为50-90℃。
在本发明的一些实施方式中，所述基材包括但不限于蜂窝状的玻璃纤维。
本发明提供的又一技术方案：一种除湿转轮，所述除湿转轮采用上述所述的除湿转轮用吸附除湿材料作为轮芯材料。
由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明基于现有技术中除湿转轮采用的轮芯材料脱附温度高的问题，创新地选取了具有优良粘结性与一定亲水性的水性聚氨酯(WPU)为基体，对其进行吸湿改性，使其在分子层面获得优异的吸湿性能，具体通过引入复配的亲水基团以增强其自身的吸湿性能，最后再通过物理共混引入吸湿性能优异的PAA-Na进一步增强材料的除湿能力，而WPU的粘结性又使得PAA-Na能够更好地粘附在载体上，制成了具有优异吸湿能力的除湿转轮用吸附除湿材料，同时该除湿转轮用吸附除湿材料还能够在较低的温度下脱除表面吸附的水分，得到了强度和性能都满足使用要求的低温再生吸附除湿材料。
具体实施方式
下面结合本发明的几个实施例来更好地说明本发明的技术路线和实施效果。下述实施例仅为本发明的其中几个实例而非对本发明的限制，本领域其他研究人员基于本发明的技术方案所获得的其他实施例都应属于本发明的保护范围。
下述中，如无特殊说明，所有的原料可以来自于商购或者通过本领域的常规方法制备而得。IPDI为异佛尔酮二异氰酸酯，购自阿拉丁试剂有限公司；
PEG 400、PEG 1000、PEG 2000均购自国药集团化学试剂有限公司；
CMC-Na购自阿拉丁试剂有限公司，牌号C299502；CMS-Na购自阿拉丁试剂有限公司，牌号C105666；聚丙烯酸钠购自阿拉丁试剂有限公司，牌号S298808。
实施例1
向装有搅拌桨、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份IPDI，90质量份PEG1000以及0.5质量份DBTDL，在90℃以及氮气保护下预聚3h。随后向四口瓶中加入15质量份DMPA和15质量份BDO，继续在90℃以及氮气保护下扩链2h。扩链完成后加入30质量份CMC-Na，在80℃以及氮气保护下改性1h。反应完成后将体系温度降低至25℃并加入11质量份TEA中和10min，随后加入391.5质量份去离子水在25℃下乳化30min得到固含量为40wt％的水性聚氨酯乳液(WPU乳液)。
取固含量为10wt％的PAA-Na水溶液与固含量为40wt％的WPU乳液，按照1:1的体积比混合均匀得到WPU/PAA-Na复合浆料。取蜂窝状的玻璃纤维载体放入复合浆料中浸泡2h，随后吹扫干净并在80℃的流动热风中烘干至恒重。
实施例2
向装有搅拌桨、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份IPDI，200质量份PEG2000以及0.8质量份DBTDL，在75℃以及氮气保护下预聚4h。随后向四口瓶中加入15质量份DMBA和16质量份DEA，在85℃以及氮气保护下扩链2h。扩链完成后加入38质量份CMC-Na，在70℃以及氮气保护下改性1.5h。反应完成后将体系温度降低至35℃并加入10质量份TEA中和15min，随后加入568.5质量份去离子水在35℃下乳化40min得到固含量为40wt％的水性聚氨酯乳液(WPU乳液)。
取固含量为10wt％的PAA-Na水溶液与固含量为40wt％的WPU乳液，按照2:3的体积比混合均匀得到WPU/PAA-Na复合浆料。取蜂窝状的玻璃纤维载体放入复合浆料中浸泡3h，随后吹扫干净并在75℃的流动热风中烘干至恒重。
实施例3
向装有搅拌桨、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份IPDI，60质量份PEG400以及0.5质量份DBTDL，在70℃以及氮气保护下预聚2h。随后向四口瓶中加入30质量份SIPM和10质量份BDO，在90℃以及氮气保护下扩链3h。扩链完成后加入35质量份CMS-Na，在75℃以及氮气保护下改性1h。反应完成后将体系温度降低至50℃并加入352.5质量份去离子水在50℃下乳化20min得到固含量为40wt％的水性聚氨酯乳液(WPU乳液)。
取固含量为10wt％的PAA-Na水溶液与固含量为40wt％的WPU乳液，按照1:2的体积比混合均匀得到WPU/PAA-Na复合浆料。取蜂窝状的玻璃纤维载体放入复合浆料中浸泡2.5h，随后吹扫干净并在70℃的流动热风中烘干至恒重。
对比例1
向装有搅拌桨、温度计和冷凝管的四口烧瓶中加入100质量份IPDI，100质量份PEG1000以及0.5质量份DBTDL，在90℃以及氮气保护下预聚2h。随后向四口瓶中加入30质量份SIPM和12质量份EG，在80℃以及氮气保护下扩链2h。反应完成后将体系温度降低至25℃并加入363质量份去离子水在35℃下乳化30min得到固含量为40wt％的WPU乳液。
取固含量为10wt％的PAA-Na水溶液与固含量为40wt％的WPU乳液，按照1:1的体积比混合均匀得到WPU/PAA-Na复合浆料。取蜂窝状的玻璃纤维载体放入复合浆料中浸泡2h，随后吹扫干净并在80℃的流动热风中烘干至恒重。
对比例2
取蜂窝状的玻璃纤维载体放入10wt％的PAA-Na水溶液中浸泡3h，随后吹扫干净并在80℃的流动热风中烘干至恒重。
对比例3
某市售硅胶除湿转轮样品。
性能测试
取裁成相同体积并且已烘干至恒重的实施例1-3与对比例1-3所制备的蜂窝状除湿材料，在固定风速(5m/s)和固定温湿度(15℃/95％)的条件下吸附15min后测定它们的吸湿率(吸湿率＝吸附后增加的质量/吸附前的质量)，测试结果如表1所示，表中m0为干燥样品的原始质量，m1为吸附15min后的样品质量，△m为吸附后增加的质量。
取在上述条件下吸附15min的实施例1-3与对比例1-3所制备的材料若干，分别在固定风速(5m/s)与不同温度的(60℃/70℃/80℃)脱附风中脱附15min后测定它们的脱附率(脱附率＝脱附后减少的质量/吸附后增加的质量)，测试结果分别如表2(脱附温度为60℃)、表3(脱附温度为70℃)和表4(脱附温度为80℃)所示，表中m0为干燥样品的原始质量，m1为吸附15min后的样品质量，m2为脱附15min后的样品质量，△m1为吸附后增加的质量，△m2为脱附后减少的质量。
表1
表2
表3
表4
通过实施例与对比例1的对比可知，WPU经过亲水改性后，其除湿性能得到了显著提升。而实施例与对比例2的对比则表明单纯使用PAA-Na作为吸附材料时，尽管其本身具有较好的吸附率，但受溶液粘度的影响，能够涂覆到玻纤载体上的量有限，并且少了WPU的粘结力，将会导致材料的机械强度较差，蜂窝载体受力易散架。而且，实施例与对比例3的对比表明硅胶材料在60～80℃的温度下脱附15min的脱附率均远远低于本发明所制备的吸附除湿材料，且本发明所制备的吸附除湿材料能够达到85％以上的吸附率，若以本发明制备的吸附除湿材料为转轮轮芯，则能够显著降低转轮运行过程中的再生能耗。
上述实施例仅为本发明实施例中的一部分，本领域技术人员能够基于本发明轻易实现其他实施例，因此，在不脱离本发明技术方案的前提下进行的更改和变动都应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种除湿转轮用吸附除湿材料，所述除湿转轮用吸附除湿材料包括基材、覆设在所述基材上的吸湿层，其特征在于，所述吸湿层由复合浆料涂覆在所述基材上形成，所述复合浆料包括如下组分：聚丙烯酸钠、水性聚氨酯和溶剂；其中，所述水性聚氨酯的原料包括多异氰酸酯、亲水性多元醇、含有羧基的亲水性扩链剂、分子量小于等于200的含羟基的小分子扩链剂和含羟基的水溶性聚合物；
所述水性聚氨酯通过如下方法制备：使多异氰酸酯和亲水性多元醇进行第一反应制成聚氨酯预聚体，加入含有羧基的亲水性扩链剂和分子量小于等于200的含羟基的小分子扩链剂，进行第二反应，加入含羟基的水溶性聚合物，进行第三反应，生成所述水性聚氨酯。
2.根据权利要求1所述的除湿转轮用吸附除湿材料，其特征在于，所述多异氰酸酯与所述亲水性多元醇的投料质量比为1∶0.2-2.5；和/或，所述多异氰酸酯为选自甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、改性二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的一种或多种的组合，所述亲水性多元醇为分子量为400-2000的聚乙二醇。
3.根据权利要求1所述的除湿转轮用吸附除湿材料，其特征在于，使所述第一反应在催化剂存在、在保护气体保护下、在60-90℃下进行，所述催化剂包括二月桂酸二丁基锡。
4.根据权利要求1所述的除湿转轮用吸附除湿材料，其特征在于，所述多异氰酸酯、所述含有羧基的亲水性扩链剂和所述含羟基的小分子扩链剂的投料质量比为1∶0.0.8-0.35∶0.1-0.2；和/或，所述含有羧基的亲水性扩链剂为选自2,2-二羟甲基丙酸、2,2-二羟甲基丁酸和间苯二甲酸二甲酯-5-磺酸钠中的一种或多种的组合，所述含羟基的小分子扩链剂为选自乙二醇、1,4-丁二醇和二乙醇胺中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求1所述的除湿转轮用吸附除湿材料，其特征在于，使所述第二反应在保护气体保护下、在60-90℃下进行。
6.根据权利要求1所述的除湿转轮用吸附除湿材料，其特征在于，所述含羟基的水溶性聚合物为羧甲基纤维素钠和/或羧甲基淀粉钠，所述羧甲基纤维素钠在25℃时的粘度为50-200mpa·s，所述羧甲基淀粉钠在25℃时的粘度为50-200mpa·s；和/或，使所述第三反应在50-80℃下、在保护气体保护下进行反应。
7.根据权利要求1所述的除湿转轮用吸附除湿材料，其特征在于，以质量份数计，所述水性聚氨酯的原料中，多异氰酸酯100份、亲水性多元醇20-250份、含有羧基的亲水性扩链剂8-35份、分子量小于等于200的含羟基的小分子扩链剂10-20份和含羟基的水溶性聚合物5-50份，还选择性地包括5-15份的中和剂，所述中和剂包括三乙胺、三乙醇胺。
8.根据权利要求1所述的除湿转轮用吸附除湿材料，其特征在于，所述复合浆料由固含量为5-15 wt%的聚丙烯酸钠溶液与固含量为35-45 wt%的水性聚氨酯乳液混合制成，所述聚丙烯酸钠溶液通过将聚丙烯酸钠分散在水中制成，所述水性聚氨酯乳液通过将水性聚氨酯分散在水中乳化制成，所述聚丙烯酸钠溶液与所述水性聚氨酯乳液的投料体积比为1∶1-2。
9.一种权利要求1-8中任一项所述的除湿转轮用吸附除湿材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
将基材浸泡在复合浆料中，然后烘干，制成；其中，所述浸泡的浸泡时间为0.5-3h，所述烘干的烘干温度为50-90℃。
10.一种除湿转轮，其特征在于，所述除湿转轮采用权利要求1-8中任一项所述的除湿转轮用吸附除湿材料作为轮芯材料。
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