CN114405157B

CN114405157B - 一种高强度流体分离介质

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Publication number: CN114405157B
Application number: CN202111614445.5A
Authority: CN
Inventors: 曾影; 郭茂
Original assignee: Chongqing Fiber Research And Design Institute Co ltd; Chongqing Zaisheng Technology Corp ltd
Current assignee: Chongqing Fiber Research And Design Institute Co ltd; Chongqing Zaisheng Technology Corp ltd
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2023-07-14
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: CN114405157A

Abstract

本发明公开了一种高强度流体分离介质，在由多层单纤维层覆盖沉积得到的多纤维层材料中加入超支化聚合物后得到，单纤维层包括玻璃微纤维和其它纤维，玻璃微纤维中纤维直径分布范围在0.5‑2um内的玻璃微纤维的质量百分比为70％；其它纤维包括双组分纤维、水溶性纤维、海岛纤维、纤维素纤维中的一种或多种；超支化聚合物末端基团含有式I的结构单元：其中，R是碳数≤10的全氟碳链或‑[Si‑O‑Si]_n‑或‑SiH₂‑基团，或者R含有脂肪族基团、金属皂类基团、石蜡类基团、羟甲基基团、吡啶类基团或者碳数为8‑18的烃链。本发明的流体分离介质在不减少透气量、不影响透过率的同时提高了滤纸强度。

Description

一种高强度流体分离介质

技术领域

本发明涉及过滤材料技术领域，具体涉及一种高强度流体分离介质。

背景技术

目前，流体过滤分离介质广泛应用在各行各业中，通常流体过滤分离介质由纤维网构成，纤维网具有多孔结构，能使流体(比如气体或液体)通过并将其中固体颗粒或液滴截留以达到分离或净化目的。流体过滤分离介质目前广泛应用于各种滤芯或滤器中。

但是，目前的过滤介质普通存在强度不够的问题，不能满足各种应用情况。有研究在不影响透过率的情况下，通过复合、或增加胶粘剂的技术手段提高强度，但是这种方法会导致透气量降低，从而增加过滤设备运行过程的能耗，降低过滤介质使用寿命。

因此，需要一种既能提高强度，同时又不减少透气量、不影响透过率的新型过滤介质，以满足生产中多种不同的需求。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种高强度、高透气量、高透过率的流体分离介质。

本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：

一种高强度流体分离介质，在由多层单纤维层覆盖沉积得到的多纤维层材料中加入超支化聚合物后得到，所述单纤维层包括玻璃微纤维和其它纤维，所述玻璃微纤维中纤维直径分布范围在0.5-2um内的玻璃微纤维的质量百分比为70％；

玻璃微纤维中SiO₂占质量比50-65％，一价碱金属占质量比10-20％，二价碱土金属占质量比≤8％，所述一价碱金属包括Li、Na、K、Rb，所述二价碱土金属包括Be、Mg、Ca、Ba、Sr；

所述其它纤维包括双组分纤维、水溶性纤维、海岛纤维、纤维素纤维中的一种或多种；

所述超支化聚合物末端基团含有式I的结构单元：

其中，R是碳数≤10的全氟碳链或-[Si-O-Si]_n-或-SiH₂-基团，或者R含有脂肪族基团、金属皂类基团、石蜡类基团、羟甲基基团、吡啶类基团或者碳数为8-18的烃链；

所述高强度流体分离介质中，玻璃微纤维的含量为70-95wt％，其它纤维的含量为1-25wt％，余量为超支化聚合物；优选玻璃微纤维的含量为70-93wt％，其它纤维的含量为3-22wt％。

所述超支化聚合物的支化度(即DB值)为0.7-1，DB值＝(D+T)/(D+L+T)，式中D、T、L分别表示超支化聚合物分子中树枝状单元、末端基团以及线性结构单元所占的比例。

所述超支化聚合物的末端基团上带有交联基团，优选所述交联基团为双键、三键、羟基、羧基或氰基等，交联基团可由树枝状单元或/和线性结构单元提供，可与防水剂、杀菌剂、表面活性剂以及金属离子以化学键结合，赋予超支化聚合物更多功能。

所述的高强度流体分离介质的多纤维层材料中孔隙的最大孔径范围为2-60um，平均孔径范围为0.1-30um；所述高强度流体分离介质的厚度为0.05-3.5mm，定量为20-180g/m²。

优选地，所述高强度流体分离介质上还复合有1-3wt％的纳米蜘蛛丝纤维或者纳米纤维网状结构膜。

所述超支化聚合物的前体原料包括以下组分：

1)骨架组分：选自脂肪族超支化聚酯、脂肪族超支化聚酰胺、脂肪族超支化聚环氧树脂、脂肪族超支化聚氨酯、超支化聚碳酸脂中的一种或两种；

2)树脂单体组分：选自丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙酸缩水甘油酯、苯乙烯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸乙酯中的一种或多种。

3)反应助剂：选自偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰、叔胺季铵盐、三乙胺、三乙醇胺、四丁基溴化铵中的其中一种或多种；

优选还包括组分4)功能单体组分：选自聚硅氧烷，硅烷，全氟碳链，含有脂肪族基团、金属皂类基团、石蜡类基团、羟甲基基团、吡啶类基团或碳数为8-18的烃链的丙烯酸酯功能单体中的其中一种或多种。

所述超支化聚合物中骨架组分﹕树脂单体组分﹕功能单体组分﹕反应助剂的质量比为0.7～1.2﹕2～5﹕0～0.2﹕0.01～0.03，优选质量比为0.8～1﹕3～5﹕0～0.15﹕0.01～0.03或0.8～1﹕3～5﹕0.12～0.14﹕0.01～0.03。

上述任一项的高强度流体分离介质的制备方法，包括如下步骤：

1)取超支化聚合物的前体原料组分混合得到共混物；

2)取玻璃微纤维、其它纤维混合，均匀分散；

3)取步骤2)分散后的纤维采用一次成型沉积或者多次成型沉积的方式形成孔隙大小从上往下变化的多纤维层材料；

4)将步骤1)得到的超支化聚合物前体组分共混物水溶液施入步骤3)得到的多纤维层材料中，施入方式采用喷洒或者浸泡或者毛细迁移；

5)取步骤4)得到的材料在120～250℃高温交联形成最终的产品，即得高强度流体分离介质。

优选地，步骤3)中

所述一次成型沉积为采用不同直径的纤维从上、下两个喷嘴同时喷出，大直径的纤维从顶部喷嘴喷出，小直径的纤维同时从底部喷嘴喷出，利用物理沉降的原理，形成上部孔隙大、下部孔隙小的多纤维层材料；

所述多次成型沉积指采用不同直径的纤维分批进行沉积，在沉积得到的纤维层上继续沉积新的纤维层从而得到孔隙大小从上至下逐级变化的多纤维层材料。

优选地，所述制备方法还包括步骤：6)在步骤5)高温交联后得到的产品上复合1-3wt％的纳米蜘蛛丝纤维或者纳米纤维网状结构膜。

本发明的有益效果是：本发明的流体分离介质的透气量、透过率、抗张强度3个指标达到平衡，在不减少透气量、不影响透过率的同时提高了滤纸强度，延长了产品使用寿命。

通过加入双组分纤维、水溶性纤维等其它纤维，增加纤维之间的交联作用、增加接触点，从而增加摩檫力，是宏观下的强度增加；另外，增加超细的纤维，是增加超小粉尘捕集的点，增加过滤效率的同时，阻力增加较少。

超支化聚合物具有高度支化结构，具有低粘度、高流变性、良好的溶解性，在过滤材料中易分散均匀，不易形成大片结点，具有较好的通透性，柔韧性，同时可以增加材料的机械强度，其具备大量可修饰的末端官能团，可以与其他改性剂(如杀菌、阻燃、抗水等)进行交联，使其改性更牢靠，不易随时间变化降低。

附图说明

图1是一次成型沉积得到的多纤维层材料的局部结构示意图。

图2是多次成型沉积得到的多纤维层材料的局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。

下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法；所用化学试剂如无特殊说明，均为本领域常规化学试剂，均可通过商购获得。

实施例1制备高强度流体分离介质

方法一：

1)取超支化聚合物的前体原料组分混合得到共混物，超支化聚合物的前体原料包括以下组分：

A、骨架组分：选自脂肪族超支化聚酯、脂肪族超支化聚酰胺、脂肪族超支化聚环氧树脂、脂肪族超支化聚氨酯、超支化聚碳酸脂中的一种或两种；

B、树脂单体组分：选自丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙酸缩水甘油酯、苯乙烯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯、丙烯酸乙酯中的一种或多种。

C、反应助剂：选自偶氮二异丁腈、过氧化二苯甲酰、叔胺季铵盐、三乙胺、三乙醇胺、四丁基溴化铵中的其中一种或多种；

在一些实施方案中还包括D、功能单体组分：选自聚硅氧烷，硅烷，全氟碳链，含有脂肪族基团、金属皂类基团、石蜡类基团、羟甲基基团、吡啶类基团或碳数为8-18的烃链的丙烯酸酯功能单体中的其中一种或多种。

2)取70-95份的玻璃微纤维、1-25份的其它纤维(选自双组分纤维、水溶性纤维、海岛纤维、纤维素纤维中的一种或多种)混合，均匀分散，可采用非织造工艺中的湿法成网或干法成网工艺分散。玻璃微纤维中纤维直径分布范围在0.5-2um内的玻璃微纤维的质量百分比为70％；玻璃微纤维中SiO₂占质量比50-65％，一价碱金属占质量比10-20％，二价碱土金属占质量比≤8％，所述一价碱金属包括Li、Na、K、Rb，所述二价碱土金属包括Be、Mg、Ca、Ba、Sr。

3)取分散后的纤维一次成型沉积形成多层的多纤维层材料，沉积时可借助外力(真空泵、水沉降等)沉积成型。一次成型沉积为采用不同直径的纤维从上、下两个喷嘴同时喷出，大直径的纤维从顶部喷嘴喷出，小直径的纤维同时从底部喷嘴喷出，利用物理沉降的原理，形成上部孔隙大、下部孔隙小的多纤维层材料，其结构示意图如图1所示。

4)将步骤1)得到的超支化聚合物前体组分共混物水溶液施入步骤3)得到的多纤维层材料中，施入方式采用喷洒或者浸泡或者毛细迁移。

5)取步骤4)得到的材料通过高温(120～250℃)交联形成最终的产品，即得本发明的高强度流体分离介质。

方法二：

1)与上述方法一中的步骤1)相同。

2)与上述方法一中的步骤2)相同。

3)取步骤2)分散后的纤维采用多次成型沉积形成多层的多纤维层材料，沉积时可借助外力(真空泵、水沉降等)沉积成型。多次成型沉积是指采用不同直径的纤维分批进行沉积，在沉积得到的纤维层上继续沉积新的纤维层从而得到孔隙大小从上至下逐级变化的多纤维层材料，其结构示意图如图2所示。

4)与上述方法一中的步骤4)相同。

5)与上述方法一中的步骤5)相同。

按照上述第一种方法制备表1中的实施例1-3的高强度流体分离介质产品，按照上述第二种方法制备表1中的实施例4-7的高强度流体分离介质产品，各实施例中采用的原料和配比及工艺参数具体如表1中所示。

其中，实施例6在步骤5)高温交联后得到的产品上采用静电纺丝工艺复合纳米蛛丝纤维。实施例7在在步骤5)高温交联后得到的产品上热压复合纳米纤维网状结构膜。

表1

备注：表中各组分的百分比含量为得到的高强度流体分离介质终产品中各组分的质量百分比。

表1中的Boltorn P500、Boltorn H20、Boltorn H30购自瑞典Perstorp Group公司，为脂肪族超支化聚酯，也可替换为其它Boltorn系列脂肪族超支化聚酯或其他品牌脂肪族超支化聚酯，均能实现本发明；骨架组分选用其它的脂肪族超支化聚酯、脂肪族超支化聚酰胺、脂肪族超支化聚环氧树脂、脂肪族超支化聚氨酯、超支化聚碳酸脂中的一种或两种，也能得到本发明的高强度流体分离介质。

实施例1-7得到的高强度流体分离介质的多纤维层材料中孔隙的最大孔径范围为2-60um，平均孔径范围为0.1-30um；得到的高强度流体分离介质的厚度为0.05-3.5mm，定量为20-180g/m²。

对表1中的产品进行检测，按照《GB/T 5453-1997纺织品织物透气性的测定》中的方法测定产品透气量，按照《QB/T 1320-1991玻璃纤维高效空气滤纸》中的方法检测产品透过率和抗张强度，结果如表2中所示，本发明制备的流体分离介质，在提高滤纸强度的同时，不减少透气量，不影响透过率。

表2

Claims

1.一种高强度流体分离介质，其特征在于：所述高强度流体分离介质是在由多层单纤维层覆盖沉积得到的多纤维层材料中加入超支化聚合物后得到，所述单纤维层包括玻璃微纤维和其它纤维，所述玻璃微纤维中纤维直径分布范围在0.5-2 um 内的玻璃微纤维的质量百分比为70%；所述高强度流体分离介质中，玻璃微纤维的含量为70-93 wt%，其它纤维的含量为3-25 wt%，余量为超支化聚合物；

玻璃微纤维中SiO₂占质量比50-65%，一价碱金属占质量比10-20%，二价碱土金属占质量比≤8%，所述一价碱金属包括Li、Na、K、Rb，所述二价碱土金属包括Be、Mg、Ca、Ba、Sr；

所述高强度流体分离介质是按照如下步骤制备得到的：

1）取超支化聚合物的前体原料组分混合得到共混物；所述超支化聚合物的前体原料包括以下组分：

①骨架组分：为脂肪族超支化聚酯；

②树脂单体组分：为丙烯酸酯，包括甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯中的一种或多种；

③反应助剂：选自偶氮二异丁腈、三乙胺中的其中一种或两种；

④功能组分：选自聚硅氧烷、硅烷中的其中一种或两种；

其中，骨架组分﹕树脂单体组分﹕功能组分﹕反应助剂的质量比为0.8～1﹕3～5﹕0～0.15﹕0.01～0.03；

2）取玻璃微纤维、其它纤维混合，均匀分散；

3）取步骤2）分散后的纤维采用一次成型沉积或者多次成型沉积的方式形成孔隙大小从上往下变化的多纤维层材料；

所述多次成型沉积指采用不同直径的纤维分批进行沉积，在沉积得到的纤维层上继续沉积新的纤维层从而得到孔隙大小从上至下逐级变化的多纤维层材料；

4）将步骤1）得到的超支化聚合物前体组分共混物水溶液施入步骤3）得到的多纤维层材料中，施入方式采用喷洒或者浸泡或者毛细迁移；

5）取步骤4）得到的材料在120～250℃高温交联形成最终的产品，即得高强度流体分离介质。

2.如权利要求1所述的高强度流体分离介质，其特征在于：所述高强度流体分离介质的多纤维层材料中孔隙的最大孔径范围为2-60 um，平均孔径范围为0.1-30 um；高强度流体分离介质的厚度为0.05-3.5 mm，定量为 20-180 g/m²。

3.如权利要求1所述的高强度流体分离介质，其特征在于：所述高强度流体分离介质上还复合有1-3wt%的纳米蜘蛛丝纤维或者纳米纤维网状结构膜。

4.如权利要求1所述的高强度流体分离介质，其特征在于：所述超支化聚合物中骨架组分﹕树脂单体组分﹕功能组分﹕反应助剂的质量比为0.8～1﹕3～5﹕0.12～0.14﹕0.01～0.03。