CN114904333A - 一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空气过滤领域，具体涉及一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，通过空气过滤材料打卷，浸渍光固化树脂，经过加热，使得滤材纤维发生软化，利用干粉喷射器将功能性颗粒吹至滤材上，然后经过轧车轧压，将功能性颗粒压入纤维内部，一部分功能性颗粒完全进入纤维内部，另一部分颗粒部分嵌入纤维内部，最后经过光照和冷却，表层光固化树脂固化，功能性颗粒固定在滤材表层。本发明加工方法，方便高效无污染，牢度佳，纤维适用性广，且可通过不同功能性颗粒的组合使用，完成多功能空气滤材的一步法制备；此外，由于大部分功能性颗粒均位于纤维的表面，通过功能性颗粒的载入，可以大大提升滤材的粗糙表面积，赋予滤材更多的吸附位点。

Description

一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法
技术领域
本发明涉及空气过滤材料技术领域，特别涉及一种高效多功能空气过滤材料的快速连续加工方法。
背景技术
空气过滤材料主要应用于空气净化领域，是将空气中的悬浮颗粒物通过过滤方式进行捕集的特殊材料，空气过滤领域应用环境复杂，长时间的应用过程中，滤材上容易滋生细菌，危害人体健康。此外，用于室内空气过滤或车载过滤，对滤材的除甲醛或芳香性能得到了越来越多的重视，将性功能颗粒加载到滤材上，是提升滤材功能性的有效途径。
目前，制备功能性空气过滤材料主要有以下两种制备方式：
(1)采用功能性颗粒熔融共混纺丝。
该方式的不足在于：通过熔融共混纺丝工艺，制备的功能性空气滤材，功能性大部分位于滤材纤维的内部，不能充分发挥其功能，会影响滤材的功能性；并且在喷丝过程中，喷丝孔存在堵塞的风险。
(2)先制备空气过滤材料，再对过滤材料进行功能性颗粒浸渍或喷涂的方式。
该方式的不足在于：通过浸渍或喷涂的方式对空气过滤基材进行功能性整理，一方面处理工艺复杂，产生大量废水，在烘干过程中浪费大量的能源，此外整理牢度较差，在使用过程中，功能性颗粒逐渐脱落，滤材的功能性逐渐丧失。
此外，采用多层复合的方式，将基布与功能层、有效过滤层三层复合，可提升滤材的功能性和过滤效率，然而多层复合不可避免的会带来空气阻力的增加，增加能源的消耗。
中国专利文献CN111330361A公开了一种天然高分子改性功能性空气过滤材料及其制备方法，该文献的不足在于：通过涂抹浸透的处理方式与前述浸渍喷涂后整理类似，因此，整理过程中产生大量废水，存在耐洗性较差的问题，随着洗涤次数的增加，壳聚糖会逐渐脱落，甲醛净化效率会明显下降。
中国专利文献CN109731413A公开了一种功能性石墨烯空气过滤网及其制备方法，该文献的不足在于：通过聚丙烯粉和石墨烯原料粉，混合熔融纺丝，该方式功能性大部分位于滤材纤维的内部，不能充分发挥其功能，会影响滤材的功能性；并且在喷丝过程中，喷丝孔存在堵塞的风险。
中国专利文献CN104815483B公开了一种复合抗菌空气过滤材料制备方法及其应用，将驻极织物层、静电纺纤维膜层和基材无纺布层依次粘结，根据文献中实施例1的测试数据，过滤效率达到了99.43％，但是压力降高达56Pa。
发明内容
本发明的目的在于解决上述加工方式的弊端，旨在提供一种高过滤效率、低过滤阻力、多功能性的空气过滤材料的快速连续制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：
一种高效功能性空气过滤材料的快速连续制备方法，将成卷滤材浸渍光固化树脂，经过红外加热，使得滤材纤维发生软化，利用干粉喷射器将功能性颗粒吹至滤材上，然后滤材经过轧车轧压，将功能性颗粒压入纤维内部，一部分功能性颗粒完全进入纤维内部，另一部分功能性颗粒部分嵌入纤维内部，最后经过光照和冷却，表层光固化树脂固化，功能性完全固定在滤材表层；用此种加工方法，方便高效无污染，牢度佳，纤维适用性广，且可通过不同功能性颗粒的组合使用，完成多功能空气滤材的一步法制备；此外，由于大部分功能性颗粒均位于纤维的表面，通过功能性颗粒的载入，可以大大提升滤材的粗糙表面积，赋予滤材更多的吸附位点，在不增加过滤阻力的前提下，大幅提升滤材的过滤效率；此外，达到相同的功能性，本发明可大幅节省功能性颗粒的使用量。
待加工滤材为针刺无纺布、熔喷无纺布、纺粘无纺布、水刺无纺布、静电纺、湿法无纺布或热粘合无纺布；滤材材质为聚丙烯基纤维、聚酯基纤维、聚丙烯腈基纤维、聚乙烯醇基纤维、聚四氟乙烯基纤维、尼龙基纤维或者聚酯纤维中的一种或者几种，空气滤材的克重20-120g/m2，空气滤材的运行速度为30-50m/min。
所述的功能性颗粒包括活性炭、二氧化钛、氧化锌、纳米银、二氧化硅纳米粒子、石墨烯、凹凸棒、壳聚糖等中的一种或多种，颗粒尺寸为5-150微米之间，其中活性炭可以大幅提升基材的吸附性能，二氧化钛、氧化锌、纳米银、二氧化硅纳米粒子等可以赋予过滤基材优异的抗菌性能，壳聚糖可赋予滤材优异的除甲醛性能；凹凸棒可以赋予过滤基材吸附有害金属离子的能力，功能性颗粒占滤材的重量比在1％-3％之间，可赋予滤材良好的功能性；此外，通过在基材纤维上各种功能性粒子的加入，可以大大提升基材的粗糙表面积，赋予基材更多的吸附位点。
所述的光固化树脂可为自由基型、阳离子型和混杂型光固化树脂中的一种或几种，为了保证制备过程的运行和浸渍量的控制，光固化树脂的粘度控制在35-50mPa·s。
所述的红外加热装置在滤材上下各有一组，利用红外加热装置加热滤材，使纤维发生软化，根据滤材的材质调整加热温度。
所述红外加热范围、温度和干粉喷射器的喷射范围、喷射量可根据滤材的幅宽和密度自由调节，根据幅宽红外加热范围为0.5-2.0米，优选1.0～1.5米。通过调节红外加热功率，滤材表面温度为80-200℃，优选90～130度；根据滤材幅宽和密度，通过调节喷头的启动数量，干粉的喷射宽度为0.5-2.0米，根据滤材的密度30-150g/m2，通过调节喷射器的功率，喷射量为50-200g/min，80～130g/min最佳。
所述红外加热装置和干粉喷射器可根据滤材的幅宽自由调节加热功率和喷射范围。
所述功能性颗粒占滤材的重量比在1％-3％之间，可赋予滤材良好的功能性。
所述轧车压力可根据滤材的幅宽和密度自由调节，调节范围0.1-1Mpa，优选0.2～0.4Mpa，在这个范围内，既不会破坏材料结构，也不会导致压力不够而容易分层。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用光固化树脂和化学纤维的软化，将功能性颗粒固定在纤维上，完成滤材的功能性加工，方便高效无污染，同时大幅提升过滤效率，加工过程无废水产生，节能环保，适应纤维材质广，可一步实现多功能性复合，功能性牢度佳，可永久保持。
(2)由于大部分功能性颗粒均位于纤维的表面，通过功能性颗粒的载入，可以大大提升滤材的粗糙表面积，赋予滤材更多的吸附位点，在不增加过滤阻力的前提下，大幅提升滤材的过滤效率；此外，达到相同的功能性，本发明可大幅节省功能性颗粒的使用量。
附图说明
图1为本发明制备方法的加工流程图；
图2为本发明功能性颗粒嵌入滤材纤维的示意图；
其中，1、待加工成卷空气滤材，2、空气滤材，3、主动辊，4、光固化树脂槽，5、红外加热装置，6、粉末喷射装置，7、功能性颗粒，8、轧辊，9、冷风装置，10、光照装置，11、加工完成成卷滤材，12、纤维，13、光固化树脂层，14、功能性颗粒。
具体实施方式
为进一步了解本发明的发明内容和效果，列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，将待加工成卷空气滤材1打卷，空气滤材2在主动辊3的带动下运行，经过光固化树脂槽4，滤材浸渍一层光固化树脂，通过控制红外加热装置5的功率，使得滤材达到其软化温度，纤维受热变软，通过粉末喷射装置6时，喷射的功能性颗粒7均匀的喷射到空气滤材上，功能性颗粒被初步粘结在光固化树脂上，通过轧车的轧辊8轧压，使得功能性颗粒完全或部分嵌入到滤材纤维内部，最后，滤材经过冷风装置9和光照装置10的处理，纤维表面温度降低，纤维硬化，光固化树脂固化，功能性颗粒永久固定在纤维上。
其中，轧辊采用主动辊子形式，防止滤材在软化状态下经过拉伸产生形变。在经过轧车轧压前，滤材完全处理遮光环境中，防止光固化树脂提前固化。
如图2所示，包括覆盖在纤维12表面的光固化树脂层13，功能性颗粒14一部分完全嵌入滤材纤维，另一部分功能性颗粒14部分嵌入滤材纤维，通过树脂固化和纤维嵌入，功能性颗粒永久牢固的固定在空气滤材上。
本发明还提供了一种高效功能性空气过滤材料实施例，其实根据上述高效功能性空气过滤材料的快速连续制备方法制备所得。
以下以本发明几个实施例进一步说明本发明的制备方法：
实施例1
本实施例中过滤基材为聚丙烯腈针刺无纺布，克重50g/m2、幅宽1.2米；
本实施例中的光固化树脂为自由基型：二乙氧化双酚A双甲基丙烯酸酯；
本实施例中功能性颗粒为颗粒尺寸在5-100微米之间的纳米银颗粒；
一种聚丙烯腈高效抗菌空气过滤材料的制备方法，包括以下步骤：幅宽1.2米，克重50g/m2的聚丙烯腈熔喷布打卷，将聚丙烯腈熔喷布以45m/min的速度匀速运行，进入光固化树脂槽，光固化树脂的黏度控制在40mPa·s，调整红外加热功率，使得聚丙烯腈纤维的温度达到125℃，此时纤维发生软化，达到喷射装置时，通过调节喷射工艺参数，使得纳米银的颗粒喷射达到80-85g/min，在此喷射速率下，纳米银与基布的重量比可达到2.5-3％；然后经过轧车，轧车压力设置为0.35MPa，最后经过冷风降温、光照固化，打卷，各项过滤性能如表1所示。
表1
试样 过滤效率/％ 压力降/Pa 抑菌率/％
聚丙烯腈熔喷布空白样 52.63 8.1 <10
实施例1 89.51 8.5 >99
表1中抑菌率为对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念球菌的抑菌率。
对比例1
按照中国专利文献CN111330361A中实施例1的方法制得壳聚糖改性聚丙烯滤材。
实施例2
本实施例中过滤基材为聚丙烯熔喷布，克重75g/m2、幅宽0.9米；
本实施例中的光固化树脂为阳离子型：聚丙烯酸酯型光固化树脂；
本实施例中功能性颗粒为颗粒尺寸在80-150微米之间的壳聚糖颗粒。
一种聚丙烯可除甲醛的高效低阻空气过滤材料的加工方法，包括以下步骤：幅宽0.9米，克重75g/m2的聚丙烯针刺布打卷，将聚丙烯布以40m/min的速度匀速运行，进入光固化树脂槽，光固化树脂的黏度控制在35mPa·s，调整红外加热功率，使得聚丙烯纤维的温度达到150℃，此时纤维发生软化，达到喷射装置时，通过调节喷射工艺参数，使得壳聚糖颗粒喷射达到90-95g/min，在此喷射速率下，壳聚糖基布的重量比可达到2.1-2.5％，约2.3g/m2；然后经过轧车，轧车压力设置为0.25MPa，最后经过冷风降低，打卷，如表2所示。
表2为实施例2和对比例1测试空气滤材的各项过滤性能
表2
Figure BDA0003603147620000061
对比例2
按照中国专利文献CN109731413A中实施例3的方法制得石墨烯改性聚丙烯滤材。
实施例3
本实施例中过滤基材为聚丙烯熔喷布，克重75g/m2、幅宽0.9米；
本实施例中的光固化树脂为阳离子型：聚丙烯酸酯型光固化树脂；
本实施例中功能性颗粒为颗粒尺寸在50-80微米之间的石墨烯粉。
一种聚丙烯可除甲醛的高效低阻空气过滤材料的加工方法，包括以下步骤：幅宽0.9米，克重75g/m2的聚丙烯针刺布打卷，将聚丙烯布以40m/min的速度匀速运行，进入光固化树脂槽，光固化树脂的黏度控制在35mPa·s，调整红外加热功率，使得聚丙烯纤维的温度达到150℃，此时纤维发生软化，达到喷射装置时，通过调节喷射工艺参数，使得石墨烯粉喷射达到100-110g/min，在此喷射速率下，石墨烯基布的重量比可达到2.8-3％，约3g/m2；然后经过轧车，轧车压力设置为0.27MPa，最后经过冷风降低，打卷，如表3所示。
表3为实施例3和对比例2测试空气滤材的各项过滤性能
表3
Figure BDA0003603147620000062
实施例4
本实施例中过滤基材为尼龙水刺无纺布，克重90g/m2、幅宽1.1米；
本实施例中的光固化树脂为自由基-阳离子混杂型：含乙烯基基团的丙烯酸酯型光固化树脂；
本实施例中功能性颗粒为颗粒尺寸在70-120微米之间的活性炭和二氧化钛颗粒，重量比1:1。
一种尼龙抗菌高效低阻空气过滤材料的加工方法，包括以下步骤：幅宽1.1米，克重90g/m2的尼龙水刺布打卷，将尼龙布以35m/min的速度匀速运行，进入光固化树脂槽，光固化树脂的黏度控制在30mPa·s，调整红外加热功率，使得尼龙纤维的温度达到120℃，此时纤维发生软化，达到喷射装置时，通过调节喷射工艺参数，使得混合颗粒喷射达到100-160g/min，在此喷射速率下，混合颗粒基布的重量比可达到3-5％；然后经过轧车，轧车压力设置为0.2MPa，最后经过冷风降低，打卷，各项过滤性能如表4所示。
表4
试样 过滤效率/％ 压力降/Pa 抑菌率/％
尼龙水刺布空白样 60.25 7.9 <10
实施例4 99.21 8.5 >99
表4中抑菌率为对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念球菌的抑菌率。
实施例5
本实施例中过滤基材为聚酯聚丙烯酸5：5共混湿法无纺布，克重90g/m2、幅宽1.2米；
本实施例中的光固化树脂为阳离子型：聚丙烯酸酯型光固化树脂；
本实施例中功能性颗粒为颗粒尺寸在50-80微米之间的石墨烯粉。
一种共混湿法无纺布可除甲醛的高效低阻空气过滤材料的加工方法，包括以下步骤：幅宽1.2米，克重90g/m2的湿法无纺布打卷，将无纺布以35m/min的速度匀速运行，进入光固化树脂槽，光固化树脂的黏度控制在30mPa·s，调整红外加热功率，使得无纺布纤维的温度达到110℃，同时兼顾聚酯和聚丙烯酸的熔点，此时纤维发生软化，达到喷射装置时，通过调节喷射工艺参数，使得石墨烯粉喷射达到115-120g/min，在此喷射速率下，石墨烯基布的重量比可达到2.5-3％，约2.8g/m2；然后经过轧车，轧车压力设置为0.32MPa，最后经过冷风降低，打卷，各项过滤性能如表5所示。
表5
Figure BDA0003603147620000081

Claims (10)

1.一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：将成卷空气滤材浸渍光固化树脂，经过红外加热，使得滤材纤维发生软化，利用干粉喷射器将功能性颗粒吹至滤材上，然后滤材经过轧车轧压，将功能性颗粒压入纤维内部，一部分功能性颗粒完全进入纤维内部，另一部分功能性颗粒部分嵌入纤维内部，最后经过光照和冷却，表层光固化树脂固化，功能性颗粒完全固定在滤材表层。
2.根据权利要求1所述的一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：待加工滤材为针刺无纺布、熔喷无纺布、纺粘无纺布、水刺无纺布、静电纺、湿法无纺布或热粘合无纺布；滤材材质为聚丙烯基纤维、聚酯基纤维、聚丙烯腈基纤维、聚乙烯醇基纤维、聚四氟乙烯基纤维、尼龙基纤维或者聚酯纤维中的一种或几种，空气滤材的克重20-120g/m2，空气滤材的运行速度为30-50m/min。
3.根据权利要求1所述的一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：所述的功能性颗粒包括活性炭、二氧化钛、氧化锌、纳米银、二氧化硅纳米粒子、石墨烯、凹凸棒、壳聚糖等中的一种或多种，颗粒尺寸为5-150微米之间。
4.根据权利要求1所述的一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：光固化树脂为自由基型、阳离子型和混杂型光固化树脂中的一种或几种，为了保证制备过程的运行和浸渍量的控制，光固化树脂的粘度控制在35-50mPa·s。
5.根据权利要求1所述的一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：红外加热装置在滤材上下各有一组，利用红外加热装置加热滤材，使纤维发生软化，根据滤材的材质加热温度为70-210℃。
6.根据权利要求1所述的一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：用干粉喷射器将功能性颗粒吹至滤材表面，干粉喷射器的喷射量为10-150g/min，滤材对功能性颗粒的接收距离为10-25cm。
7.根据权利要求1所述的一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：红外加热范围和干粉喷射器的喷射范围在0.5-2.0米。
8.根据权利要求1所述的一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：干粉喷射器的喷射量为50-200g/min。
9.根据权利要求1所述的一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：功能性颗粒占滤材的重量比在1％-3％之间，赋予滤材良好的功能性。
10.根据权利要求1所述的一种高效多功能空气过滤材料的快速连续制备方法，其特征在于：轧车压力根据滤材的幅宽和密度自由调节，调节范围0.1-1MPa。
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