CN114191888A - 一种电纺滤材及其制备方法和由其制备的滤筒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工业除尘技术领域，尤其涉及一种电纺滤材及其制备方法。同时，本发明还涉及由所述电纺滤材制备的滤筒。该电纺滤材包括基材支撑层、均匀分布在所述基材支撑层上的静电纺丝层、静电驻极材料和/或助剂。该滤材的过滤效率高、过滤阻力小，其制备方法可实现静电纺丝滤材的产业化生产，同时由该滤材制备的滤筒，使用寿命长、过滤效果好。

Description

一种电纺滤材及其制备方法和由其制备的滤筒
技术领域
本发明涉及工业除尘技术领域，尤其涉及一种电纺滤材及其制备方法。同时，本发明还涉及一种由所述电纺滤材制备的滤筒。
背景技术
筒式过滤器是工业粉尘治理中使用较广泛的除尘设备，在焊接烟尘、打磨烟尘、食品加工粉尘等领域广泛应用，主要利用机械过滤原理，将粉尘截滞和吸附，达到除尘的目的。目前机械过滤主要有两种机理，一种是常规的深层过滤，粉尘通过聚酯纤维类滤材的捕集，先在滤料表面形成"一层粉尘饼"，再通过这层粉尘饼来过滤后续的粉尘，但随着使用时间的增长，粉尘颗粒容易进入滤材内部，导致过滤效率降低、滤筒寿命变短等问题。另外一种是表面过滤，通过在传统的聚酯纤维类过滤基材表面覆上一层纳米或微米纤维膜，将粉尘颗粒截滞和吸附在过滤材料表面，从而达到除尘的目的，这种方法虽然在过滤效率、滤筒寿命等方面有了一定的提高，但是在目前的工程应用中还存在表面纳米过滤层机械性能差，多次反吹易脱落等问题，影响除尘效果，时间长了会出现净化效率下降、阻力增大、能耗增加等问题。
专利CN110124413A公开了一种聚合物微米/纳米纤维的制备方法，采用聚氯乙烯、聚偏二氯亚乙烯等聚合物或其共聚物制备纺丝液，通过在基材上附着微米/纳米纤维，采用热复合或的方式，形成高滤效的过滤材料并将其应用于粉尘治理等领域，但是此方法表面纳米纤维层与基材层结合力差，应用于工业除尘时多次反吹后，纳米纤维层容易脱落，导致过滤阻力增大，能耗增加，过滤效率降低。专利CN1562441公开了一种夹心式纳米/亚微米电纺丝基过滤材料的制备方法，将纳米纤维膜直接纺制在滤材上，通过热压制成夹层复合材料，但是此方法难以保证纳米纤维在滤材上的均匀性，而且纺织时也无法保证滤材的供给速度和纺丝速度一致，难以保证产品质量。
因此，寻求纳米纤维层与基材结合效果好，过滤效率高，且有利于系统能耗降低的过滤材料十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电纺滤材及其制备方法，该滤材的过滤效率高、过滤阻力小，其制备方法可实现静电纺丝滤材的产业化生产，同时由该滤材制备的滤筒，使用寿命长、过滤效果好。
为实现以上目的，本发明的技术方案如下：
一种电纺滤材，包括基材支撑层、均匀分布在所述基材支撑层上的静电纺丝层、静电驻极材料和/或助剂，其中所述静电纺丝层占所述滤材的质量比为10-30％，所述静电驻极材料占所述滤材的质量比为0.05-0.1％，所述助剂占所述滤材的质量比为0.5-3％，余量为基材支撑层。
所述基材支撑层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)聚酯纤维、复合纤维滤纸和芳纶纤维布中的一种或多种，基材支撑层挺度好，支撑度高，丝径均匀，风阻低，纤维克重为30g/m2～200g/m2，厚度为0.3～2mm，纤维丝直径8～15um。
所述静电纺丝层包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PSU)和聚酰胺(PA)中的一种或多种。
所述静电驻极材料包括纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和纳米勃姆石中的一种或多种。
静电驻极材料能够提升滤材的过滤效率，并降低阻力。添加了静电驻极材料，电纺滤材可以通过静电+机械过滤机理相结合的方式来捕获粉尘粒子，滤材过滤粉尘时，通过纳米纤维层物理隔离粉尘，静电驻极体材料也同步发挥作用，在与气流垂直的方向上存在着高达几百至上千伏电压的静电场，在纤维材料的孔隙间形成了无数个无源集尘电极，当气流中的带电微粒尤其是亚微米级粒子(往往是带电的)通过这些孔隙时，就在电场力的作用下被捕获。两种过滤机理同步施行，提高了滤材的过滤效率。利用静电驻极体材料的静电效应，可以有效降低滤材的过滤阻力，从而降低能耗，减少运维成本，与传统的机械型空气过滤器相比，在相同的功效时，采用驻极体材料的滤材，其阻力远低于机械型过滤器的阻力。
所述助剂包括1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基四氯铁酸盐和1-丁基-2-3-二甲基咪唑氯盐中的一种或多种。
本发明还提供一种电纺滤材的制备方法，包括以下步骤：
S1：将静电纺丝层溶于纺丝溶剂中，添加静电驻极材料和助剂，制成纺丝液；
其中，所述静电纺丝层包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PSU)和聚酰胺(PA)中的一种或多种；
所述纺丝溶剂包括二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基甲酰胺(DMF)、乙酸和甲酸中的一种或多种；
所述静电驻极材料包括纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和纳米勃姆石中的一种或多种；
所述助剂包括1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基四氯铁酸盐和1-丁基-2-3-二甲基咪唑氯盐中的一种或多种；
助剂可以提升纺丝液的电导率，增强纺丝液的可纺性。
S2：采用无针头纺丝技术，将步骤S1的纺丝液与基材支撑层纺织成复合布；
所述基材支撑层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)聚酯纤维、复合纤维滤纸和芳纶纤维布中的一种或多种。
纺织时基材支撑层接收距离为15-60cm，正负极电压为20-70KV，基材运行速度为4～20m/min。
电纺滤材的产业化生产一直是静电纺丝技术发展的最大瓶颈，本发明采用无针头纺丝技术，可大幅度提升静电纺丝层纳米纤维均匀性和电纺设备运行车速，最快可达20m/min，提高单位时间内纳米纤维滤材的产量。
S3：步骤S2的复合布收卷前进行热压合及热定型工艺，即得所述滤材。
热压合为使用温度100～150℃的辊轮压制，热定型工艺为120～180℃的热风吹扫压合。
滤材应用于粉尘治理时，会在表面形成一层粉尘，使得滤材内外形成压差，压差达到设定值就需要进行反吹，将粉尘反吹下来以恢复滤材的过滤等级，但是频繁的反吹会使滤材的过滤层受到反复的拉力，静电纺丝层与基材支撑层的结合力差就会发生脱落，影响滤材整体的过滤效率，因此需要提高滤材静电纺丝层与基材支撑层之间的粘合能力。在滤材收卷之前，热压合及热定型能够增强基材支撑层与静电纺丝层之间的粘合力，提升滤材的使用寿命。
本发明还提供一种滤筒，包括内外两层金属骨架和位于所述金属骨架中间的所述电纺滤材。滤筒经由挡板压合工艺制备，将电纺滤材打褶成型，做成圆环形状，可有效增加粉尘与滤筒的接触面积，确保高效除尘；电纺滤材打褶后峰高3-8cm，确保滤材的过滤效果达到最优；滤筒内外部均采用金属骨架，金属骨架起固定作用，可保证位于两层金属骨架之间的电纺滤材不歪斜，以免影响过滤效果。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)通过在纺丝液中添加静电驻极材料和助剂，提升了电纺滤材的过滤效率，同时静电驻极材料的添加，使电纺滤材在依靠自身物理过滤特性的基础上，增加了静电拦截的效果；助剂的添加，提升了阻燃、耐温、疏水性能，并增加了纺丝液的可纺性；
(2)采用无针头纺丝技术，与使用针头的单针头或多针头纺丝技术相比，提升了静电纺丝层在基材支撑层上分布的均匀性，还能够提升纺丝车速，提高纺丝效率和生产效率；
(3)采用热复合技术成型，可增加基材支撑层与静电纺丝层之间的粘合力，制成的电纺滤材能够满足工程除尘的多次反吹，不会发生过滤层脱落等问题；
(4)滤筒制备过程中采用挡板压合工艺，防止滤筒打折过程中出现C形，提高成品率，同时可满足不同峰高的滤筒制备需求。
附图说明
图1是实施例1制备的电纺滤材的扫描电镜图；
图2是实施例2制备的电纺滤材的扫描电镜图。
具体实施方式
如本文所用之术语：
“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
一种电纺滤材的制备方法，包括以下步骤：
S1：将PVDF溶于DMAC中配置成质量分数15％的溶液，添加质量分数0.07％的纳米二氧化硅作静电驻极材料和质量分数1％的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐作助剂，充分搅拌混合均匀，制成纺丝液；
S2：采用无针头纺丝技术，将步骤S1的纺丝液注入纺丝液盒中，选择平均丝径8um，厚度0.3mm，克重30g/m2的复合纤维滤纸作基材支撑层，调整基材支撑层接收间距15cm，调整正负极电压20kv，基材运行速度4m/min，进行纺丝纺织成复合布；
S3：步骤S2的复合布收卷前经过温度为100℃的辊轮及120℃热风吹扫，即得所述滤材，如图1。
实施例2
一种电纺滤材的制备方法，包括以下步骤：
S1：将PSU溶于DMF中配置成质量分数10％的溶液，添加质量分数0.05％的纳米勃姆石作静电驻极材料和质量分数3％的1-丁基-2-3-甲基咪唑氯盐作助剂，充分搅拌混合均匀，制成纺丝液；
S2：采用无针头纺丝技术，将步骤S1的纺丝液注入纺丝液盒中，选择平均丝径15um，厚度2mm，克重200g/m2的PET聚酯纤维作基材支撑层，调整基材支撑层接收间距60cm，调整正负极电压70kv，基材运行速度20m/min，进行纺丝纺织成复合布；
S3：步骤S2的复合布收卷前经过温度为150℃的辊轮及180℃热风吹扫，即得所述滤材，如图2。
实施例3
一种电纺滤材的制备方法，包括以下步骤：
S1：将PA溶于甲酸中配置成质量分数30％的溶液，添加质量分数0.1％的纳米二氧化钛作静电驻极材料和质量分数2％的1-丁基-3-甲基四氯铁酸盐作助剂，充分搅拌混合均匀，制成纺丝液；
S2：采用无针头纺丝技术，将步骤S1的纺丝液注入纺丝液盒中，选择平均丝径10um，厚度0.8mm，克重100g/m2的芳纶纤维布作基材支撑层，调整基材支撑层接收间距30cm，调整正负极电压50kv，基材运行速度10m/min，进行纺丝纺织成复合布；
S3：步骤S2的复合布收卷前经过温度为120℃的辊轮及150℃热风吹扫，即得所述滤材。
对比例1
一种电纺滤材的制备方法，包括以下步骤：
S1：将PA溶于甲酸中配置成质量分数15％的溶液，充分搅拌混合均匀，制成纺丝液；
S2：采用无针头纺丝技术，将步骤S1的纺丝液注入纺丝液盒中，选择平均丝径10um，厚度0.8mm，克重100g/m2的芳纶纤维布作基材支撑层，调整基材支撑层接收间距30cm，调整正负极电压50kv，基材运行速度10m/min，进行纺丝纺织成复合布；
S3：步骤S2的复合布收卷前经过温度为120℃的辊轮及150℃热风吹扫，即得所述滤材。
对比例2
一种电纺滤材的制备方法，包括以下步骤：
S1：将PA溶于甲酸中配置成质量分数30％的溶液，添加质量分数0.1％的纳米二氧化钛作静电驻极材料和质量分数2％的1-丁基-3-甲基四氯铁酸盐作助剂，充分搅拌混合均匀，制成纺丝液；
S2：采用无针头纺丝技术，将步骤S1的纺丝液注入纺丝液盒中，选择平均丝径10um，厚度0.8mm，克重100g/m2的芳纶纤维布作基材支撑层，调整基材支撑层接收间距30cm，调整正负极电压50kv，基材运行速度10m/min，进行纺丝纺织成复合布；
S3：步骤S2的复合布收卷即得所述滤材。
测试例1
将实施例1-3和对比例1-2制备的滤材打褶成型，做成圆环形状，采用挡板压合工艺制成峰高8cm，外直径50cm的滤筒，对实施例1-3和对比例1-2制备的滤材和滤筒进行测试，使用T8130滤料测试仪进行测试，测试条件为0.3μm氯化钠气溶胶粒子，测试粒径：0.3μm，测试流量为85L/min，测试结果见表1。
表1测试结果
过滤效率(％) 阻力(Pa) 反吹测试
实施例1滤材 85 40 -
实施例1滤筒 - - 完好
实施例2滤材 87 42 -
实施例2滤筒 - - 完好
实施例3滤材 86 41 -
实施例3滤筒 - - 完好
对比例1滤材 70 80 -
对比例1滤筒 - - 有破损
对比例2滤材 80 45 -
对比例2滤筒 - - 脱落
从表1可以看出，本发明提供的电纺滤材过滤效率高，阻力低，制成的滤筒使用寿命长；而不添加静电驻极材料和助剂制成的滤材，过滤效率低，阻力大；基材支撑层和静电纺丝层未采用热复合技术定型的滤材，制成滤筒后使用寿命短，多次反吹后发生脱落现象。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种电纺滤材，其特征在于，包括基材支撑层和均匀分布在所述基材支撑层上的静电纺丝层，所述静电纺丝层还包括静电驻极材料和/或助剂。
2.根据权利要求1所述的滤材，其特征在于，所述基材支撑层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)聚酯纤维、复合纤维滤纸和芳纶纤维布中的一种或多种，纤维克重为30g/m2～200g/m2，厚度为0.3～2mm，纤维丝直径8～15um。
3.根据权利要求1所述的滤材，其特征在于，所述静电纺丝层包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PSU)和聚酰胺(PA)中的一种或多种，所述静电纺丝层占所述滤材的质量比为10-30％。
4.根据权利要求1所述的滤材，其特征在于，所述静电驻极材料包括纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和纳米勃姆石中的一种或多种，所述静电驻极材料占所述滤材的质量比为0.05-0.1％。
5.根据权利要求1所述的滤材，其特征在于，所述助剂包括1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基四氯铁酸盐和1-丁基-2-3-二甲基咪唑氯盐中的一种或多种，所述助剂占所述滤材的质量比为0.5-3％。
6.一种电纺滤材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将静电纺丝层溶于纺丝溶剂中，添加静电驻极材料和助剂，制成纺丝液；
S2：采用无针头纺丝技术，将步骤S1的纺丝液与基材支撑层纺织成复合布；
S3：步骤S2的复合布收卷前进行热压合及热定型工艺，即得所述滤材。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法满足以下条件中的一个或多个：
a.所述静电纺丝层包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚砜(PSU)和聚酰胺(PA)中的一种或多种；
b.所述纺丝溶剂包括二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲基甲酰胺(DMF)、乙酸和甲酸中的一种或多种；
c.所述静电驻极材料包括纳米二氧化硅、纳米二氧化钛和纳米勃姆石中的一种或多种；
d.所述助剂包括1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基四氯铁酸盐和1-丁基-2-3-二甲基咪唑氯盐中的一种或多种；
e.所述基材支撑层包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)聚酯纤维、复合纤维滤纸和芳纶纤维布中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述方法还满足以下条件中的一个或多个：
f.所述采用无针头纺丝技术纺织时，基材支撑层接收距离为15-60cm，正负极电压为20-70KV，基材运行速度为4～20m/min；
g.所述热压合及热定型工艺为辊轮加热压合及热风吹扫压合，所述辊轮温度为100～150℃，所述热风温度为120～180℃。
9.一种滤筒，其特征在于，包括内外两层金属骨架和位于所述金属骨架中间的权利要求1-5任一所述的电纺滤材。
10.根据权利要求9所述的滤筒，其特征在于，所述滤筒采用挡板压合工艺制备，峰高3-8cm。
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