CN113262566B - 一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料及其制备方法 - Google Patents

一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将防静电液通过喷涂或辊涂的方式涂布于木浆纤维滤纸的表面，干燥；或将木浆纤维滤纸浸渍于防静电液中，同时超声分散，然后取出并干燥；(2)通过静电纺丝工艺在干燥后的木浆纤维滤纸表面复合纳米纤维过滤层，即得到所述防静电纳米纤维过滤材料；其中，步骤(1)中，按照重量份计，所述防静电液包括：溶剂900‑1000份、碳纳米纤维5‑80份、分散剂3‑20份、粘合剂3‑40份、附着力促进剂2‑10份、流平剂1‑8份；所述防静电液在25～35℃下的粘度为20‑80mPa·S。本发明的防静电处理工艺几乎不影响滤材原有的透气度，且导电物质在滤材上的附着力强，不会脱落。

Description

一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及滤料技术领域，尤其涉及一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料及其制备方法。
背景技术
由于空气过滤净化的实际工况要求，出于安全考虑，不少应用环境要求过滤材料以及过滤器具备防静电性能，以避免因静电引起的电火花和可能由此引发的爆炸，如粉尘爆炸。
现有的防静电过滤材料绝大部分采用铝覆膜的技术，在聚酯无纺布上形成导电铝膜，从而提高材料的抗静电性能。但由于铝自身的化学不稳定性，容易在使用过程中被氧化，从而导致其抗静电性能衰减。例如申请号为CN201410468615.7、CN201410468613.8和CN201410470113.8的中国专利中涉及的防静电材料均基于在化学纤维表面镀覆金属层技术，该技术工艺过程复杂，容易对环境造成破坏。在滤材使用过程中，金属导电体会发生氧化导致导电性能降低。此外，该技术仅限于对化学纤维进行防静电处理，木浆纤维滤材上尚没有应用。
碳基导电材料因为其稳定的化学性能，常常被用作导电剂来改善材料的导电性能，如碳黑，石墨，石墨烯，碳纳米管等。公开号为CN110947240A的发明专利公开了一种基于氧化石墨烯的防静电材料制备方法，应用于聚酯、聚丙烯等合成纤维过滤材料中。但该技术采用氧化石墨烯，滤材经浸渍干燥后还需将氧化石墨烯还原成石墨烯，并进行和二次干燥。还原反应需要用到还原剂，还涉及二次干燥等能耗问题，该方法虽然提高了合成纤维的导电性能，但工艺复杂，制备过程不环保，能耗高。公开号为CN101165820A的中国专利公开了一种炭黑导电液，采用碳黑制备了一种适合高分子薄膜材料的导电剂。但该导电液不适用于过滤材料。
使用导电液对过滤材料在做防静电处理时，除了提高材料的导电性以外，还必须保证滤材的透气度，以及导电剂与原有纤维材料的附着力。所需的导电液必须有良好的稳定性和流动性，能够均匀分布在纤维材料表面，附着良好，并且不能堵塞滤材原有的孔隙。而目前的防静电处理工艺并不能达到这样的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，该防静电处理工艺几乎不影响滤材原有的透气度，且导电物质在滤材上的附着力强，不会脱落。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供了一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将防静电液通过喷涂或辊涂的方式涂布于木浆纤维滤纸的表面，干燥；或将木浆纤维滤纸浸渍于防静电液中，同时超声分散，然后取出并干燥；
(2)通过静电纺丝工艺在干燥后的木浆纤维滤纸表面复合纳米纤维过滤层，即得到所述防静电纳米纤维过滤材料；
其中，步骤(1)中，按照重量份计，所述防静电液包括：溶剂900-1000份、碳纳米纤维5-80份、分散剂3-20份、粘合剂3-40份、附着力促进剂2-10份、流平剂1-8份；所述防静电液在25～35℃下的粘度为20-80mPa·S。
进一步地，所述碳纳米纤维的长度为2～30μm，直径为20～1000nm。这一尺寸的碳纳米纤维能够在滤材纤维上形成相互连接的网状结构，且易于与基材纤维之间产生钩合等机械作用。
本发明中，通过在抗静电液中加入分散剂，从而提高了碳纳米纤维的稳定性，避免碳纳米纤维之间发生团聚，有利于提高碳纳米纤维在滤材纤维表面的分布的均匀性。本发明中，所述分散剂可采用本领域常用的分散剂，包括但不限于聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、三乙醇胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、甲基双萘磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚、吐温、聚山梨酯、迷迭香酸、单宁酸、十二烷基苯磺酸钠和原花青素中的一种或多种。
在对滤材抗静电涂布时，除了要保证导电剂与原有纤维材料的附着力之外，还必须保证滤材的透气度。为了解决这一问题，本发明中，在抗静电液中同时加入了粘合剂、附着力促进剂和流平剂三种成分，其中粘合剂溶于溶剂中能够形成胶体状物质，这种胶体状物质会包覆在碳纳米纤维的表面，并使其粘接在基材纤维上，从而提高了碳纳米纤维的附着强度；附着力促进剂的加入，能够通过键合作用进一步提高碳纳米纤维与基材之间的界面结合力；而流平剂的加入，改善了防静电液的流动性和均匀涂覆性能。发明人通过研究发现，通过调节这三种成分的加入量，使防静电液在25～35℃下的粘度处于20-80mPa·S范围内，既能够保证碳纳米纤维与基材纤维之间良好的附着性，又使得防静电液具有适宜的流动性，不会堵塞滤材原有的孔隙，从而不会影响滤材的过滤性能。优选地，所述防静电液在25～35℃下的粘度为30-80mPa·S。
本发明中，所述粘合剂可选自丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚酰胺树脂、聚氨酯中的一种或多种；所述附着力促进剂可选自脂肪醇聚氧乙烯醚、芳香基聚氧乙烯醚中的一种或两种；所述流平剂可选自聚丙烯酸、羧甲基纤维素中的一种或两种。
本发明中，所述溶剂可根据分散剂、粘合剂、附着力促进剂和流平剂的溶解性进行选择，可为水、乙醇、异丙醇中的一种或多种。
进一步地，所述抗静电液的配制方法为：
将分散剂加入到溶剂中，分散搅拌均匀，形成稳定的分散液；将碳纳米纤维逐步加入到分散液中，用高速分散机分散搅拌20-30min，直至碳纳米纤维完全浸润在分散液里；接着，使用超声波分散机继续分散10-30min，进一步开松和分散碳纳米纤维，避免纤维的絮状团聚；再加入附着力促进剂和粘合剂，继续超声分散0.5-2h；最后加入流平剂，用分散机搅拌均匀，得到所述防静电液。
进一步地，所述超声分散的超声功率为500-700W，超声温度为25℃-35℃。
进一步地，所述木浆纤维滤纸的克重为100-150gsm。
本发明中，木浆纤维滤纸的防静电性可进行调节，通过增加喷涂/辊涂的防静电液的量，或延长浸渍的时间，即可提高木浆纤维滤纸的防静电性。
本发明中，在木浆纤维滤纸上复合纳米纤维过滤层，在没有明显增加阻力压降的情况下，提高了滤材对超细粉尘的过滤效率。其中，所述纳米纤维包括但不限于聚偏氟乙烯纳米纤维、尼龙纳米纤维、聚丙烯腈纳米纤维、聚苯乙烯纳米纤维、聚氨酯纳米纤维、聚氯乙烯纳米纤维、聚氧化乙烯纳米纤维中的一种。所述纳米纤维过滤层的厚度优选为0.2～10μm。
本发明还提供了由所述的方法制备的基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料。
本发明还提供一种对滤材进行防静电处理的装置，其依次包括放卷机构、浸渍机构、超声机构、干燥机构和收卷机构。其中，放卷机构用于对卷状滤料进行放卷，浸渍机构用于放置防静电液，并使滤料浸入并穿过防静电液；超声机构安装在浸渍机构内，在浸渍的时候对防静电液进行超声分散；干燥机构用于将滤料干燥，可采用多种方式对滤料进行干燥，例如电吹风加热。收卷机构用将干燥后的半成品收成卷状。该装置可以连续地对各种滤材进行防静电处理，工艺简单，生产连续性高，生产效率高。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.与现有技术采用的颗粒状导电剂相比，本发明中采用碳纳米纤维作为导电剂，由于碳纤维的长径比远优于颗粒状的导电体，其加载于木浆滤纸纤维表面时，能够形成相互连接的网状结构，该结构能有效地提高滤材的导电性能，改善滤材的防静电性能，又不影响其原有的透气性；同时，得益于导电纤维与原有滤材纤维之间的相互钩合等机械作用，使导电纤维牢牢地附着在原有滤材纤维的表面，附着强度高，不会因脱落造成二次污染。
2.本发明的抗静电液，通过在抗静电液中加入了8-15份粘合剂、2-10份附着力促进剂和1-8份流平剂，控制抗静电液在25～35℃下的粘度为20-80mPa·S，处于这一粘度范围的抗静电液既具有合适的流动性，同时又具有一定的粘性，将其加载于滤材纤维表面时，能够将碳纳米纤维粘附在木浆纤维的表面，进一步地提高了导电纤维与原有滤材纤维之间的附着性；同时合适的流动性又保证了抗静电液能够均匀分布在纤维材料表面，并且不会堵塞滤材原有的孔隙。
3.本发明中，对木浆纤维滤纸进行防静电处理后，再于其表面进行静电纺丝纳米纤维覆膜，使得到的复合过滤材料不仅具备良好的防静电性，同时又对超细粉尘有着非常高的过滤效率；另外，由于木浆纤维滤纸具有较好的导电性能，在接收纳米纤维时，滤材纤维表面的静电荷能够及时地传导耗散出去，使得纳米纤维的落点更加趋向于滤材纤维表面，从而提高了纳米纤维与木浆纤维滤纸之间的附着性，有利于提升滤材的反吹性能。
4.本发明的方法不仅工艺简单，生产加工效率高，而且可以用来提高多种普通过滤材料的防静电性能，包括合成纤维无纺布材料以及木浆纤维材料。
附图说明
图1：本发明中对滤材进行防静电处理的装置的示意图；
其中：1、放卷机构；2、浸渍机构；3、超声机构；4、干燥机构；5、收卷机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
本实施例提供了一种防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
1.取1000份水，加入10份分散剂甲基双萘磺酸钠，用分散机搅拌30分钟，使其搅拌均匀。取50份碳纳米纤维，纤维直径为200-500nm，长度为5-10μm，边搅拌便加入碳纳米纤维，用分散机分散搅拌20min，转速800rpm，直至碳纳米纤维完全浸润在分散液里。接着，使用超声波分散机10min，超声功率为1000W，进一步开松和分散碳纳米纤维；再加入脂肪醇聚氧乙烯醚5份、丙烯酸树脂25份，继续超声分散2h，超声功率800W；最后加入聚丙烯酸1份，用分散机搅拌均匀，转速为600rpm，得到防静电液，其在35℃下的粘度为53mPa·S。
2.采用浸涂法，将木浆纤维滤纸(克重132)浸渍于防静电液中，同时进行超声分散，超声功率为500W，超声温度为35℃。浸渍10min后，取出滤材并干燥，制得半成品。
3.将半成品作为接收基材进行静电纺丝，使半成品表面复合2～3μm厚的聚丙烯腈纳米纤维过滤层，从而制得所述防静电纳米纤维过滤材料。
实施例2
本实施例提供了一种防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
1.取1000份水，加入8份分散剂吐温-80，用分散机搅拌30分钟，使其搅拌均匀。取20份碳纳米纤维，纤维直径为200-500nm，长度为5-10μm，边搅拌便加入碳纳米纤维，用分散机分散搅拌15min，转速为1000rpm，直至碳纳米纤维完全浸润在分散液里。接着，使用超声波分散机15min，超声功率为1000W，进一步开松和分散碳纳米纤维。再加入脂肪醇聚氧乙烯醚5份、丙烯酸树脂25份，继续超声分散2h，超声功率为800W；最后加入聚丙烯酸1份，用分散机搅拌均匀，转速为600rpm，得到防静电液，其在25℃下的粘度为65mPa·S。
2.采用浸涂法，将木浆纤维滤纸(克重为132)浸渍于防静电液中，同时进行超声分散，超声功率为700W，超声温度为25℃。浸渍10min后，取出滤材并干燥，制得半成品。
3.将半成品作为接收基材进行静电纺丝，使半成品表面复合2～3μm厚的聚丙烯腈纳米纤维过滤层，从而制得所述防静电纳米纤维过滤材料。
实施例3
本实施例提供了一种防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
1.取1000份水，加入10份分散剂甲基双萘磺酸钠，用分散机搅拌15分钟，使其搅拌均匀。取30份碳纳米纤维，纤维直径为300-800nm，长度为8-10μm，边搅拌便加入碳纳米纤维，用分散机分散搅拌15min，转速为800rpm，直至碳纳米纤维完全浸润在分散液里。接着，使用超声波分散机20min，超声功率为1000W，进一步开松和分散碳纳米纤维。再加入芳香基聚氧乙烯醚5份，聚乙烯醇10份，继续超声分散2h，超声功率为800W；最后加入羧甲基纤维素1份，用分散机搅拌均匀，转速为600rpm，得到防静电液，其在25℃下的粘度为58mPa·S。
2.采用浸涂法，将木浆纤维滤纸(克重132)浸渍于防静电液中，同时进行超声分散，超声功率为700W，超声温度为25℃。浸渍10min后，取出滤材并干燥，制得半成品。
3.将半成品作为接收基材进行静电纺丝，使半成品表面复合2～3μm厚的聚丙烯腈纳米纤维过滤层，从而制得所述防静电纳米纤维过滤材料。
对比例1
本对比例提供了一种防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
1.取1000份水，加入10份分散剂甲基双萘磺酸钠，搅拌均匀，得到分散液。取50份碳黑粉末，碳黑颗粒的粒径20-30nm，加入到上述分散液中，分散搅拌至碳黑完全浸润在分散液中，加入用高速研磨机研磨1小时，得到防静电液，其在25℃下的粘度为14mPa·S。
2.采用浸涂法，将木浆纤维滤纸(克重132)浸渍于防静电液中，同时进行超声分散，超声功率为500W，超声温度为35℃。浸渍10min后，取出滤材并干燥，制得半成品。
3.将半成品作为接收基材进行静电纺丝，使半成品表面复合2～3μm厚的聚丙烯腈纳米纤维过滤层，制得防静电纳米纤维过滤材料。
对比例2
1.取1000份水，加入10份分散剂甲基双萘磺酸钠，用分散机搅拌30分钟，使其搅拌均匀。取50份碳纳米纤维，纤维直径为200-500nm，长度为5-10μm，边搅拌便加入碳纳米纤维，用分散机分散搅拌20min，转速为800rpm，直至碳纳米纤维完全浸润在分散液里。接着，使用超声波分散机2h，超声功率为1000W，进一步开松和分散碳纳米纤维，得到防静电液，其在35℃下的粘度为11mPa·S。
2.采用浸涂法，将木浆纤维滤纸(克重132)浸渍于防静电液中，同时进行超声分散，超声功率为500W，超声温度为35℃。浸渍10min后，取出滤材并干燥，制得半成品。
3.将半成品作为接收基材进行静电纺丝，使半成品表面复合2～3μm厚的聚丙烯腈纳米纤维过滤层，从而制得所述防静电纳米纤维过滤材料。
对比例3
普通白色阻燃木浆纤维滤纸(克重132)，不经过任何处理。
性能测试
对实施例1-3，对比例1-3的过滤材料进行测试，所得结果如表1所示。
表1实施例1-3，对比例1-3的过滤材料的性能测试结果
Figure BDA0003078553770000091
由表1中的数据得知，实施例1-3制备的防静电纳米纤维过滤材料，与对比例3中的木浆纤维滤纸无较大区别，但是表面电阻达到了104-105级，达到了导体水平，具有较强的防静电能力。对比例1-2中材料虽然具备了防静电性能，但导电剂的附着力差，容易发生剥离脱落，造成二次污染。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将防静电液通过喷涂或辊涂的方式涂布于木浆纤维滤纸的表面，干燥；或将木浆纤维滤纸浸渍于防静电液中，同时超声分散，然后取出并干燥；
（2）通过静电纺丝工艺在干燥后的木浆纤维滤纸表面复合纳米纤维过滤层，即得到所述防静电纳米纤维过滤材料；
其中，步骤（1）中，按照重量份计，所述防静电液包括：溶剂900-1000份、碳纳米纤维5-80份、分散剂3-20份、粘合剂3-40份、附着力促进剂2-10份、流平剂1-8份；所述防静电液在25~35℃下的粘度为20-80mPa·S。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，所述碳纳米纤维的长度为2~30 μm，直径为20~1000 nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂选自聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、三乙醇胺、脂肪醇聚氧乙烯醚、甲基双萘磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚、吐温、迷迭香酸、单宁酸、十二烷基苯磺酸钠和原花青素中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，所述粘合剂选自丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚酰胺树脂、聚氨酯中的一种或多种；
所述附着力促进剂选自脂肪醇聚氧乙烯醚、芳香基聚氧乙烯醚中的一种或两种；
所述流平剂选自聚丙烯酸、羧甲基纤维素中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自水、乙醇、异丙醇中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，所述防静电 液的配制方法为：
将分散剂加入到溶剂中，分散搅拌均匀，形成稳定的分散液；将碳纳米纤维逐步加入到分散液中，用高速分散机分散搅拌20-30min，直至碳纳米纤维完全浸润在分散液里；接着，使用超声波分散机继续分散10-30min，进一步开松和分散碳纳米纤维，避免纤维的絮状团聚；再加入附着力促进剂和粘合剂，继续超声分散0.5-2h；最后加入流平剂，用分散机搅拌均匀，得到所述防静电液。
7.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，所述超声分散的超声功率为500-700W，超声温度为25℃-35℃。
8.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，所述木浆纤维滤纸的克重为100-150 gsm。
9.根据权利要求1所述的一种基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维包括聚偏氟乙烯纳米纤维、尼龙纳米纤维、聚丙烯腈纳米纤维、聚苯乙烯纳米纤维、聚氨酯纳米纤维、聚氯乙烯纳米纤维、聚氧化乙烯纳米纤维中的一种，所述纳米纤维过滤层的厚度为0.2~10 μm。
10.根据权利要求1~9任一项所述的方法制备的基于碳纳米纤维的防静电纳米纤维过滤材料。
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