CN114367149B - 一种滤材及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于过滤材料技术领域，公开了一种滤材及其制备方法和应用。该滤材包括基材和纳米纤维膜；纳米纤维膜由静电纺丝液形成，该静电纺丝液，按重量份计，包括有机溶剂80‑90份、咪唑盐类的离子液体0.002‑0.2份、聚烯烃卤代物10‑20份。本发明采用特定的静电纺丝液，通过静电纺丝技术在基材上复合一层纤维直径为纳米级的纳米纤维膜，基材与纳米纤维膜构成滤材，滤材具有高透、低阻的技术效果，可过滤PM2.5、花粉、细菌、霉菌孢子等颗粒物，对粒径约为0.3微米的颗粒物的有效过滤效率达到99.5％，甚至超过99.5％，且过滤阻力小，过滤效率稳定，即使在潮湿环境下长期使用，也具有稳定的过滤效率。

Description

一种滤材及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于过滤材料技术领域，特别涉及一种滤材及其制备方法和应用。
背景技术
随着环境污染的加重，再加上许多室内装修和装饰材料的污染，空气源污染已成为影响人体健康的隐形杀手。随着人们环境意识的增强和生活水平的提高，越发认识到清洁空气对健康的重要性。新风系统的主要功能就是把室外的新鲜空气送进来，把室内二氧化碳含量高的污浊空气排出去，在不开窗的情况下，引入新鲜空气，在送入空气的过程中，净化、过滤空气中的污染与细菌，实现室内空气的净化。
新风系统一般有三层过滤网(也叫空气过滤器)，分别为初效、中效和高效滤器，其过滤性能主要由过滤材料决定。高效过滤器的特点是空气可以通过，但细小的微粒却无法通过。高效滤网不仅阻拦住大、中型灰尘，而且能够去除最危害身体的细颗粒物，包括PM2.5(指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物)、花粉、细菌、霉菌孢子等。达到高效过滤器标准的过滤网，对于0.1微米和0.3微米的有效率达到99.7％。
现有技术中的高效空气过滤材料主要为玻璃纤维布和驻极熔喷布。玻璃纤维布阻隔效率可达到99.9％以上、价格便宜，主要适用于洁净厂房、洁净室等领域；但其通气阻力大，达到380Pa以上，使得设备功率大、噪音大，不适用于家用新风系统等领域。
现有技术中家用的空气过滤器所使用的主流滤材主要为东丽滤材、3M滤材和韩国滤材，均为驻极聚丙烯熔喷布构成的滤材，可以令阻力相对较低的聚丙烯滤膜达到H13(H13级别的滤材能过滤大部分空气中的颗粒污染物，如PM2.5，尘埃粒子、头屑皮屑、花粉、香烟烟雾以及所有的细菌微生物)的过滤效果，可满足民用新风系统的使用要求。严格意义上来说，在H13的测试条件下需对材料进行除驻极处理，驻极聚丙烯熔喷布原本H13的滤网很快就变成F8级别，甚至更低，达不到高效过滤的要求。
新风系统可应用于每个密闭空间和对空气净化有要求的场所，包括住宅、酒店、医院、学校、银行、饭店、办公室、健身房、会所等。玻璃纤维高效滤材纤维细、数量多且结构蓬松，与其他滤材相比具有效率高、耐温性能好、寿命长等特点，但也存在风阻较大(例如大于380Pa)等问题，只适用于对洁净度要求很高的洁净厂房，不适用于相对来说系统风量较小的新风系统等领域。
目前市面上的空气过滤器所使用的主流滤材为通气阻力低的驻极聚丙烯熔喷布，可以达到阻隔效率99.9％的效果。但由于其阻隔性能主要靠静电吸附的效果来实现，随着静电的损耗，其过滤效率会有明显的下降，比如在潮湿(相对湿度大于80％)的使用环境下。所以该滤材存在过滤效率不稳定、寿命短等问题。
因此，开发一种阻隔效率高、通气阻力低且不随环境变化的高效滤材是十分有必要的。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种滤材及其制备方法和应用，所述滤材具有阻隔效率高、通气阻力低且不随环境变化的效果，特别是在潮湿环境(相对湿度大于80％，甚至大于85％)中，仍然保持良好的过滤效果。
本发明的发明构思为：本发明采用特定的静电纺丝液(所述静电纺丝液含咪唑盐类的离子液体、有机溶剂、聚烯烃卤代物，且咪唑盐类的离子液体、有机溶剂、聚烯烃卤代物采用特定的用量比)，通过静电纺丝技术在基材(例如无纺布)上复合一层纤维直径为纳米级的纳米纤维膜，基材与纳米纤维膜构成本发明所述滤材，所述滤材具有高透、低阻的技术效果，可过滤PM2.5、花粉、细菌、霉菌孢子等颗粒物，对粒径约为0.3微米的颗粒物的有效过滤效率达到99.5％，甚至超过99.5％，且过滤阻力小，过滤效率稳定，即使在潮湿环境下长期使用，也具有稳定的过滤效率。本发明所述滤材可用于家庭新风系统、家用空调滤网和工厂车间净化等领域，解决现有滤材通气阻力大、过滤效率不稳定等问题。
与传统纤维相比，由于静电纺丝所制备的纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大等优点，空气过滤过程中在同样气压损失的情况下，静电纺丝所制备的纳米纤维对于颗粒过滤的直接拦截效应和惯性冲击效应更为显著，有利于提高膜的过滤效率。目前在使用空气过滤器的过程中，困扰人们的是如果要获得理想的高过滤效率，就不得不付出一定代价面对传统过滤网带来的高阻力带来的高能耗问题、风机选型问题等等。本发明滤材表面的纳米纤维膜具备的高透气特点，可以降低使用能耗和成本。本发明滤材表面的纳米纤维膜在驻极消除和潮湿的环境中，阻隔效率依然保持良好。同时，低阻可以降低使用能耗，对新风系统的节能减排具有积极的意义。
本发明的第一方面提供一种静电纺丝液。
具体的，一种静电纺丝液，按重量份计，包括有机溶剂80-90份、咪唑盐类的离子液体0.002-0.2份、聚烯烃卤代物10-20份。
优选的，所述静电纺丝液，按重量份计，包括有机溶剂80-90份、咪唑盐类的离子液体0.002-0.1份、聚烯烃卤代物10-20份；进一步优选的，所述静电纺丝液，按重量份计，包括有机溶剂80-90份、咪唑盐类的离子液体0.002-0.02份、聚烯烃卤代物10-20份。
优选的，所述有机溶剂为N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N’-二甲基乙酰胺(DMAC)、丙酮、三氯甲烷中的至少一种。
优选的，所述咪唑盐类的离子液体选自1-丙基-3-甲基咪唑碘盐、1-乙基-3-甲基咪唑碘盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐中的至少一种。
优选的，所述聚烯烃卤代物为聚偏氟乙烯(PVDF)。
优选的，所述静电纺丝液还可包括抗菌剂。
优选的，所述聚偏氟乙烯的分子量为8-65万；进一步优选的，所述聚偏氟乙烯的分子量为10-60万。
优选的，所述抗菌剂为银离子抗菌剂。
优选的，所述静电纺丝液，按重量份计，包括聚偏氟乙烯(PVDF)10-20份。
优选的，所述静电纺丝液，按重量份计，包括抗菌剂0.1-3份；进一步优选的，包括抗菌剂0.1-2.5份。
优选的，所述静电纺丝液，按重量份计，包括有机溶剂80-90份、咪唑盐类的离子液体0.002-0.2份、聚烯烃卤代物10-20份、抗菌剂0-3份；进一步优选的，所述静电纺丝液，按重量份计，包括有机溶剂80-90份、咪唑盐类的离子液体0.002-0.02份、聚烯烃卤代物10-20份、抗菌剂0-3份。
本发明的第二方面提供一种静电纺丝液的制备方法。
具体的，所述静电纺丝液的制备方法用于制备上述静电纺丝液。
优选的，一种静电纺丝液的制备方法，包括以下步骤：
称取各原料组分，然后将所有原料组分加入反应釜中，搅拌溶解，制得所述静电纺丝液。
优选的，所述反应釜带有水浴。
优选的，所述搅拌溶解是在30-55℃的水浴条件下搅拌4-24h；进一步优选的，所述搅拌溶解是在30-50℃的水浴条件下搅拌4-24h。
本发明的第三方面提供一种滤材。
具体的，一种滤材，包括基材和纳米纤维膜；所述纳米纤维膜由上述静电纺丝液形成。
优选的，所述基材选自无纺布、热风棉、熔喷布中的至少一种；进一步优选的，所述基材为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)无纺布或PP(聚丙烯)无纺布。
优选的，所述纳米纤维膜中的纤维直径为40-400nm；进一步优选的，所述纳米纤维膜中的纤维直径为50-400nm。
优选的，所述滤材可过滤PM2.5、花粉、细菌、霉菌孢子等颗粒物，过滤效率不低于95％，通气阻力为20-80Pa。
本发明的第四方面提供一种滤材的制备方法。
具体的，所述滤材的制备方法用于制备上述滤材。
优选的，一种滤材的制备方法，包括以下步骤：
将上述静电纺丝液通过静电纺丝工艺在基材上进行纺丝，制得所述滤材。
优选的，所述静电纺丝工艺的工艺参数如下：纺丝直流电压为60-130kV，纺丝速度为1-4m/min，静电纺丝液的供液速度为600-1500mL/h。
本发明的第五方面提供一种滤材的应用。
上述滤材在空气过滤领域中的应用。
一种空气过滤器，包括上述滤材。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明采用特定的静电纺丝液(静电纺丝液，按重量份计，包括有机溶剂80-90份、咪唑盐类的离子液体0.002-0.2份、聚烯烃卤代物10-20份)，通过静电纺丝技术在基材(例如无纺布)上复合一层纤维直径为纳米级的纳米纤维膜，基材与纳米纤维膜构成本发明所述滤材，所述滤材具有高透、低阻的技术效果，可过滤PM2.5、花粉、细菌、霉菌孢子等颗粒物，对粒径约为0.3微米的颗粒物的有效过滤效率达到99.5％，甚至超过99.5％，且过滤阻力小(20-80Pa)，过滤效率稳定，即使在潮湿环境下长期使用，也具有稳定的过滤效率。本发明所述滤材可用于家庭新风系统、家用空调滤网和工厂车间净化等领域，解决现有滤材通气阻力大、过滤效率不稳定等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的滤材表面的纳米纤维膜的SEM(扫描电子显微镜)图。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
以下测试滤材对颗粒的过滤效率所依据的标准为GB/T 6165-2008，在测试对颗粒的过滤效率的同时记录通气阻力。
实施例1：滤材的制备
一种静电纺丝液，按重量份计，包括二甲基甲酰胺(DMF)80份、1-丙基-3-甲基咪唑碘盐0.002份、聚偏氟乙烯(PVDF)20份。
一种静电纺丝液的制备方法，包括以下步骤：
称取各原料组分，然后将所有原料组分加入反应釜中，在55℃的恒温水浴中搅拌溶解24h，制得分散均匀的静电纺丝液。
一种滤材，包括基材(PET无纺布)和纳米纤维膜；纳米纤维膜由上述静电纺丝液形成。
一种滤材的制备方法，包括以下步骤：
将上述静电纺丝液通过静电纺丝工艺在基材上进行纺丝，制得滤材；静电纺丝工艺的工艺参数如下：纺丝直流电压为130kV，纺丝速度为1.5m/min，静电纺丝液的供液速度为1200mL/h。
图1为本发明实施例1制得的滤材表面的纳米纤维膜的SEM(扫描电子显微镜)图。从图1中可以看出，滤材表面的纳米纤维膜中的纤维直径为50-400nm。
本发明实施例1制得的滤材对0.3微米的颗粒过滤效率为99.8％，通气阻力为42Pa。
实施例2：滤材的制备
一种静电纺丝液，按重量份计，包括二甲基甲酰胺(DMF)90份、丁基-3-甲基咪唑氯盐0.001份、乙基-3-甲基咪唑氯盐0.001份、聚偏氟乙烯(PVDF)10份、银离子抗菌剂0.5份。
一种静电纺丝液的制备方法，包括以下步骤：
称取各原料组分，然后将所有原料组分加入反应釜中，在30℃的恒温水浴中搅拌溶解4h，制得分散均匀的静电纺丝液。
一种滤材，包括基材(PET无纺布)和纳米纤维膜；纳米纤维膜由上述静电纺丝液形成。
一种滤材的制备方法，包括以下步骤：
将上述静电纺丝液通过静电纺丝工艺在基材上进行纺丝，制得滤材；静电纺丝工艺的工艺参数如下：纺丝直流电压为60kV，纺丝速度为4m/min，静电纺丝液的供液速度为1500mL/h。
本发明实施例2制得的滤材对0.3微米的颗粒过滤效率为95.0％，通气阻力为20Pa，所制备的滤材对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌的抗菌率达到90％以上。
实施例3：滤材的制备
一种静电纺丝液，按重量份计，包括二甲基甲酰胺(DMF)86份、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐0.004份、聚偏氟乙烯(PVDF)14份、银离子抗菌剂3份。
一种静电纺丝液的制备方法，包括以下步骤：
称取各原料组分，然后将所有原料组分加入反应釜中，在50℃的恒温水浴中搅拌溶解16h，制得分散均匀的静电纺丝液。
一种滤材，包括基材(PET无纺布)和纳米纤维膜；纳米纤维膜由上述静电纺丝液形成。
一种滤材的制备方法，包括以下步骤：
将上述静电纺丝液通过静电纺丝工艺在基材上进行纺丝，制得滤材；静电纺丝工艺的工艺参数如下：纺丝直流电压为100kV，纺丝速度为2m/min，静电纺丝液的供液速度为1000mL/h。
本发明实施例3制得的滤材对0.3微米的颗粒过滤效率为98.9％，通气阻力为35Pa，所制备的滤材对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌的抗菌率达到99％以上。
对比例1
对比例1与实施例1的区别仅在于，对比例1中静电纺丝液，按重量份计，包括二甲基甲酰胺75份、1-丙基-3-甲基咪唑碘盐0.02份、聚偏氟乙烯25份。其余过程与实施例1相同。
对比例1制得的滤材对0.3微米的颗粒过滤效率为80％，通气阻力为35Pa。
对比例1中的静电纺丝液中的二甲基甲酰胺、1-丙基-3-甲基咪唑碘盐、聚偏氟乙烯的含量比不在本发明请求保护的范围内，使得静电纺丝液中溶质的浓度过大，聚偏氟乙烯难以被有效拉成丝后在基材上成膜，导致滤材的过滤效率下降。
对比例2
对比例2与实施例3的区别仅在于，对比例2中静电纺丝液，按重量份计，包括二甲基甲酰胺(DMF)86份、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐1份、聚偏氟乙烯14份、银离子抗菌剂3份。其余过程与实施例1相同。由于离子液体的添加量过大，使得静电纺丝液的导电性大大增强，在纺丝的过程中容易跳闸和打火，难以进行纺丝。
对比例3
与实施例3相比，对比例3中采用等量的N-丁基吡啶硝酸盐离子液体代替实施例3中的1-乙基-3-甲基咪唑溴盐，其余组分和制备过程与实施例3相同。
对比例3制得的滤材对0.3微米的颗粒过滤效率为87.8％，通气阻力为36Pa。由此可见，改变离子液体的种类对滤材的过滤效果和通气阻力都有不利影响。
产品效果测试
取实施例1制得的滤材和市售的滤材(市售的滤材为驻极熔喷布，不含咪唑盐类的离子液体)，在相对湿度为90％的环境中放置7天，然后按照GB/T 6165-2008记载的方法测试滤材在第0h、第24h、第72h、第120h、第192h对0.3微米的颗粒物的过滤效率(在放置7天后，在第0h、第24h、第72h、第120h、第192h测试滤材过滤效率时，滤材所处的环境相对湿度仍然为90％)，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003411884350000071
Figure BDA0003411884350000081
从表1可以看出，在同样经过7天相对湿度为90％的环境放置处理后，本发明实施例1制得的滤材对颗粒物的过滤效率在随后的192h内依然保持良好的稳定性。而市售的滤材在经过7天相对湿度为90％的环境放置处理后，在随后的192h内过滤效率迅速下降，稳定性较差。
由于滤材尤其是新风系统的滤材，对过滤效率是非常敏感的，尤其是等级越高，过滤效率轻微的下降都将导致级别的下降。从测试数据可看出，环境湿度对现有市售的滤材的过滤效率影响非常大。潮湿的使用环境虽然对本发明实施例制得的滤材有一定的影响，但由于本发明实施例制得的滤材主要依靠物理阻隔，在湿度很大的环境中连续使用对本发明实施例制得的滤材的影响远远小于现有的市售的滤材。
本发明实施例2-3制得的滤材在相对湿度为90％的环境中的过滤效率的稳定性与实施例1制得的滤材的效果相似。
应用例
一种空气过滤器，包括实施例1制得的滤材。

Claims (6)

1.一种空气滤材，其特征在于，包括基材和纳米纤维膜；所述纳米纤维膜由静电纺丝液形成；
所述静电纺丝液，按重量份计，包括有机溶剂80-90份、咪唑盐类的离子液体0.002-0.02份、聚烯烃卤代物10-20份；
所述咪唑盐类的离子液体选自1-丙基-3-甲基咪唑碘盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑氯盐、1-乙基-3-甲基咪唑溴盐中的至少一种；
所述聚烯烃卤代物为聚偏氟乙烯。
2.根据权利要求1所述的空气滤材，其特征在于，所述静电纺丝液还包括抗菌剂。
3.一种空气滤材的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1或2所述的空气滤材。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述静电纺丝液通过静电纺丝工艺在基材上进行纺丝，制得所述空气滤材；
所述静电纺丝工艺的工艺参数如下：纺丝直流电压为60-130kV，纺丝速度为1-4m/min，静电纺丝液的供液速度为600-1500mL/h。
5.权利要求1或2所述的空气滤材在空气过滤领域中的应用。
6.一种空气过滤器，其特征在于，包括权利要求1或2所述的空气滤材。
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