CN115029958A - 一种空气过滤纸及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于造纸技术领域，具体涉及一种空气过滤纸及其制备方法，该空气过滤纸，由包括植物纤维、化学合成纤维、湿强剂和干强剂的原料按照纸张抄造方法制备而成，所述植物纤维包括木棉纤维、苎麻纤维和木浆纤维，按照原料的绝干质量计，所述木棉纤维的添加量占植物纤维、化学合成纤维总重量的5%至60%。本发明的过滤纸对高含油量的过滤物质具有优异的过滤效果；在高含油量的过滤物质使用环境下使用寿命更长，可以达到至少6个月。
Description
技术领域
本发明属于造纸技术领域，具体涉及一种空气过滤纸及其制备方法。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展和人们生活水平的提高，工业化的规模和汽车的使用量大幅增加，工业化和汽车排放的尾气等使含油废气日益增多，对空气环境造成的污染越来越严重，空气污染物的组分也变得越来越复杂。国内外的许多研究已经对颗粒物的组成及其演变过程进行了表征，研究表明，污染物颗粒由各种化学成分组成，包括无机物和有机物等，其是小颗粒和液滴的复杂混合物。在空气污染的整个治理过程中，空气过滤技术是保护人体健康的重要手段。其中的过滤材料是空气过滤技术的关键，过滤材料的优劣直接决定了空气过滤器的品质。空气过滤纸在这些行业中应用广泛，如汽车的空气滤清器等，用于气体的过滤与分离，提高其容尘量，可延长其使用寿命，有利于降低成本，节约资源。目前常用的空气过滤检测标准中容尘量测试用气溶胶主要以粉尘颗粒为主，而实际大气环境中的颗粒污染物不仅只有粉尘等固体颗粒，还有油等液体颗粒，因而需要使用具有固/液混合容尘性能的空气过滤材料对其进行过滤与分离。
某高端品牌滤清器在实际应用中出现使用寿命很短的状况，对其使用后的滤纸进行相关测试，来分析滤清器寿命较短的原因。使用后的滤芯从滤芯整体来看，折楞处颜色较黑，污染物较内部更为集中，内部有较明显的吸并现象，滤纸有明显的刺鼻的油污味。经化学分析，滤清器在使用过程中所过滤的污染物中有接近50%的污染物是油类物质。由此可见，滤清器使用的工况非常恶劣，使用过程中大量的油污和粉尘混合在一起，形成粘性颗粒团迅速堵塞了滤纸孔隙，使滤纸的阻力迅速上升，使用寿命减短。在油污含量较高的工况下，常规的滤纸难以达到满意的使用寿命，需使用具有吸油性能的复合型滤材，来容纳高含量的油污，以减缓油污阻塞滤纸孔隙的速度，达到适当延长滤材寿命的目的。
发明内容
本发明的目的提供一种空气过滤纸，在高含油量的空气环境中，可以提高空气过滤材料的容尘性能。
本发明采用的技术方案如下：
一种空气过滤纸，由包括植物纤维、化学合成纤维、湿强剂和干强剂的原料按照纸张抄造方法制备而成，所述植物纤维包括木棉纤维、苎麻纤维和木浆纤维，按照原料的绝干质量计，所述木棉纤维的添加量占植物纤维、化学合成纤维总重量的5%至60%。
木棉纤维是一种果实纤维，呈中空管状，具有独特的薄壁大中空的形态结构，中空率在80%以上，表面光滑，原料本身就具备较高的比表面积。近年来，大量对于木棉纤维的研究主要应用于过滤领域。
随着木棉纤维的加入，木棉纤维与其它纤维交叉分布，纸页的结构变得蓬松，木棉纤维含量越高，纸页的结构越疏松，越有利于过滤。
对于空气过滤纸过滤高含油量的过滤物质时，随着过滤时间的延长，空气过滤纸所负载的重量会越来越大，此时，使用传统的空气过滤纸，会存在强度低、使用寿命短的缺点。对此，不得不增加过滤纸的厚度，以增强纸张的耐破强度，这样的话，不仅过滤纸的透气性会下降，而且过滤纸的制造成本显著上升。
为此，本发明的发明人研究发现，将木棉纤维与苎麻纤维和木浆纤维进行混合，所制得的过滤纸的纸张耐破强度增加，在含高含油量的过滤物质使用环境下使用寿命更长，可以达到至少6个月。
木棉纤维有利于对液体颗粒，尤其是油滴的吸附过滤，木棉纤维的添加量需要平衡过滤效果和纸张强度，尤其以10%至50%为宜。发明人在对木棉纤维的添加量进行调整实验时，发现，过滤纸的耐破度随着木棉纤维的增加呈现先升后降的趋势，在木棉纤维的添加量30%左右时达到最大值。这里所说的木棉纤维的添加量，是指木棉纤维占植物纤维浆料、化学合成纤维总重量的添加比例。
根据本发明的滤纸约70g/m2至150g/m2的基重，在此基重下，过滤纸可以实现在无油或低油含量使用环境下过滤纸的使用寿命达到至少12个月，在高含油量的过滤物质使用环境下使用寿命更长，可以达到至少6个月。高含油量的过滤物质指含油量不低于30%的过滤物质。
作为优选，按照原料的绝干质量计，所述化学合成纤维和植物纤维的质量比为1-25:100，更加优选为5-20:100，再更加优选为10-20:100。
作为优选，所述木浆纤维可以是针叶植物纤维或者阔叶植物纤维或者两者的混合。
作为优选，阔叶植物纤维可以来源于落叶树，也可以是常绿树，例如苦槠、冬青、石楠、桦树、桉树、杨树等。更加优选为多年生常绿树，例如青冈、香樟等。
作为优选，针叶植物纤维可以来源于常绿针叶植物，例如雪松、桧柏、柳杉、罗汉松等，也可以来源于落叶针叶植物，例如金钱松、水杉、落羽杉、池杉、落叶松、马尾松、云杉、银杉等。
所述的“合成纤维”被理解为由一种或多种合成聚合物制成的纤维，其是由化学合成获得的聚合物，特别是通过单体聚合的反应，无论是否与交联反应偶联。可以是聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维或者聚酯纤维，例如聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、聚乙酸乙烯酯等。
技术人员可以根据他的经验选择本发明的滤纸的其它组分，例如湿强剂（WS-1），干强剂（淀粉、瓜尔胶、羧甲基纤维素、苯丙乳液或酚醛树脂等）。
上述空气过滤纸的制备方法，包括如下步骤：
S-1.植物纤维浆料的制备：将植物纤维原料进行打浆，得到植物纤维浆料；
S-2.合成纤维浆料的制备：将合成纤维原料加水疏解分散，制得合成纤维浆料；
S-3.混合浆的制备：将所得的植物纤维浆料与合成纤维浆料混合；
S-4.抄造成型:向配置好的混合浆内加入湿强剂，抄造成型湿纸页，烘干，得到空气过滤纸原纸；
S-5.涂布：用配置好的干强剂对原纸进行表面涂布得到空气过滤纸成品。
作为优选，木棉纤维在进行混合浆制备前，先采用碱液对其进行预处理，处理温度为60℃～70℃的恒温水浴锅中，碱处理1h～1.5h，再用去离子水反复清洗至中性。
通过实施上述技术方案，相比现有技术，本发明具有如下的有益效果：
本发明的过滤纸，对高含油量的过滤物质具有优异的过滤效果；
本发明的过滤纸，具有低阻、高容尘量、高耐破强度的特点；
本发明的过滤纸使用寿命达到至少12个月，在高含油量的过滤物质使用环境下使用寿命更长，可以达到至少6个月。
附图说明
附图1为掺杂有30%添加量的木棉纤维的过滤纸扫描电镜图像。
具体实施方式
下面对本发明提供的具体实施方式作详细说明。需要说明的是，以下所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
实施例1：
一种空气过滤纸，由包括植物纤维、化学合成纤维、湿强剂和干强剂的原料按照纸张抄造方法制备而成，所述植物纤维包括木棉纤维、苎麻纤维和针叶植物纤维，其中，按照绝干质量算，木棉纤维30kg，苎麻纤维20kg, 针叶植物纤维40kg,化学合成纤维10kg,木棉纤维的添加量占植物纤维和化学合成纤维总重量的30%。针叶植物采用松树。化学合成纤维采用PET纤维。按照绝干纤维质量100kg，湿强剂2.5kg、干强剂25kg的配比添加，制备过滤纸。纸张湿强剂采用WS-1，干强剂采用瓜尔胶。过滤纸的基重110 g/m2，根据GB/T 454-2020标准测得耐破强度为291kPa。
实施例2：
一种空气过滤纸，由包括植物纤维、化学合成纤维、湿强剂和干强剂的原料按照纸张抄造方法制备而成，所述植物纤维包括木棉纤维、苎麻纤维和阔叶植物纤维，其中，按照绝干质量算，木棉纤维20kg，苎麻纤维20kg, 阔叶植物纤维40kg,化学合成纤维20kg,木棉纤维的添加量占植物纤维和化学合成纤维总重量的20%。阔叶植物采用桦树。合成纤维采用聚丙烯纤维。按照绝干纤维质量100kg，湿强剂2.5kg、干强剂25kg的配比添加，制备过滤纸。纸张湿强剂采用WS-1，干强剂采用瓜尔胶。
制备方法，包括如下步骤：
S-1.木棉纤维采用质量浓度为10%的氢氧化钠溶液对其进行预处理，处理温度为60℃的恒温水浴锅中，碱处理1.5h，再用去离子水反复清洗至中性，晾干，待用。
S-2.植物纤维浆料的制备：将植物纤维原料进行打浆，打浆浓度为1.0%-5.0%、打浆度150SR-500SR，得到植物纤维浆料；
S-3.合成纤维浆料的制备：将合成纤维原料按1%-7％重量浓度加水疏解分散，制得合成纤维浆料；
S-4.混合浆的制备：将所得的植物纤维浆料与合成纤维浆料混合；
S-5.抄造成型：向配置好的混合浆内加入WS-1，抄造成型湿纸页，烘干，得到空气过滤纸原纸；
S-6.涂布：用配置好的干强剂对原纸进行表面涂布得到空气过滤纸成品。
所得过滤纸的基重112g/m2，根据GB/T 454-2020标准测得耐破强度为271kPa。由于在过滤过程中，过滤纸会被液体浸湿，还会被过滤物质腐蚀等原因，在该耐破强度下，其使用寿命也不是由负载压力单一条件等决定，在高含油量的过滤物质使用环境下使用寿命更长，可以达到8个月，在固体颗粒过滤环境下，过滤纸的使用寿命达到20个月。
实施例3：
一种空气过滤纸的制备方法，包括如下步骤：
S-1.木棉纤维采用质量浓度为10%的氢氧化钠溶液对其进行预处理，处理温度为60℃的恒温水浴锅中，碱处理1.5h，再用去离子水反复清洗至中性，晾干，待用。
S-2.植物纤维浆料的制备：将植物纤维原料（木棉纤维30kg，苎麻纤维20kg, 阔叶植物纤维40kg）进行打浆，打浆浓度为1.0%-5.0%、打浆度150SR-500SR，得到植物纤维浆料；
S-3.合成纤维浆料的制备：将合成纤维原料（化学合成纤维10kg）按1%-7％重量浓度加水疏解分散，制得合成纤维浆料；
S-4.混合浆的制备：将所得的植物纤维浆料与合成纤维浆料混合；
S-5.抄造成型：向配置好的混合浆内加入湿强剂WS-1（按照绝干纤维100kg，湿强剂2.5kg的配比添加），抄造成型湿纸页，烘干，得到空气过滤纸原纸；
S-6.涂布：用配置好的干强剂（按照绝干纤维100kg，湿强剂25kg的配比）对原纸进行表面涂布得到空气过滤纸成品。
所得过滤纸的基重114 g/m2，根据GB/T 454-2020标准测得耐破强度为292kPa。过滤纸可以实现固体颗粒过滤环境下使用寿命达到25个月，在高含油量的过滤物质使用环境下使用寿命更长，可以达到12个月。
实施例4：
本实施例探究木棉纤维含量对纸张厚度、纸页孔径、耐破度的影响。
本实施例的上述研究，在一个基础配方的空气过滤纸的基础上。
空气过滤纸的基础配方如下：
一种空气过滤纸，由包括植物纤维、化学合成纤维、湿强剂和干强剂的原料按照纸张抄造方法制备而成，所述植物纤维包括木棉纤维、苎麻纤维和阔叶植物纤维，其中，按照绝干质量算，木棉纤维Xkg，苎麻纤维20kg, 阔叶植物纤维40kg,化学合成纤维10kg。阔叶植物采用桦树。化学合成纤维采用聚乙烯纤维。按照绝干纤维质量100kg，湿强剂2.5kg、干强剂25kg的配比添加，制备过滤纸。纸张湿强剂采用WS-1，干强剂采用瓜尔胶。
木棉纤维的添加量分为10kg（对应添加占比13%）、20kg（对应添加占比22%）、30kg（对应添加占比30%）、40kg（对应添加占比约36%）、50kg（对应添加占比约41%）、60kg（对应添加占比约46%）、70kg（对应添加占比50%）、80kg（对应添加占比约53%）、90kg（对应添加占比56%）、100kg（对应添加占比59%）。
制备方法采用实施例3的制备方法，对应所得的过滤纸为10A、20B、30C、40D、50E、60F、70G、80H、90I、100J。
随着木棉纤维含量从13%增加到59%：纸页的匀度下降；纸页的厚度呈现逐渐增加的趋势，由0.595mm增加到1.096mm；纸页的孔径分布范围变广，较小孔径的数量减少；纸页的平均孔径由10.5μm增加到15.4μm，最大孔径由26.1μm增加到40.2μm，最大孔径增加得更为明显；过滤性能变化不显著。
根据GB/T 454-2020标准测得耐破强度对应为10A-280KPa、20B-285KPa、30C-292KPa、40D-280KPa、50E-268KPa、60F-256KPa、70G-240KPa、80H-231KPa、90I-229KPa、100J-223KPa。
通过在高含油量（含油量不低于30%）的过滤物质条件下进行多轮实验得到，只有当纸张耐破度在240KPa以上，才能实现在高含油量的过滤物质使用环境下使用寿命至少6个月。
从结果看，随着木棉纤维添加量的增加，在约30%以内，纸张耐破度呈上升趋势，且能维持在280KPa左右，在30%时达到最大值，继续增加，纸张耐破度下降，在50%以内，能够维持在240KPa以上。
当添加量在20%以内，虽然纸张耐破度可以满足延长过滤纸使用寿命的需求，但是，由于木棉纤维量少，过滤效果差，尤其无法满足高油含量的过滤物质的过滤要求。
当添加量在20%至50%之间，尤其是20%至30%之间，纸张耐破度和过滤效果均满足优质过滤纸的要求。
当超过50%，虽然过滤效果可以，但是纸张耐破度过低，过滤纸容易损坏，使用寿命短。
对比例1：
本对比例探究在不添加苎麻纤维情况下，木棉纤维含量对耐破度的影响。
本实施例的上述研究，在一个基础配方的空气过滤纸的基础上。
空气过滤纸的基础配方如下：
一种空气过滤纸，由包括植物纤维、化学合成纤维、湿强剂和干强剂的原料按照纸张抄造方法制备而成，所述植物纤维包括木棉纤维和阔叶植物纤维，其中，按照绝干质量算，木棉纤维Xkg，阔叶植物纤维60kg,化学合成纤维10kg。阔叶植物采用桦树。化学合成纤维采用聚乙烯纤维。按照绝干纤维质量100kg，湿强剂2.5kg、干强剂25kg的配比添加，制备过滤纸。纸张湿强剂采用WS-1，干强剂采用瓜尔胶。
木棉纤维的添加量分为10kg（对应添加占比13%）、20kg（对应添加占比22%）、30kg（对应添加占比30%）、40kg（对应添加占比约36%）、50kg（对应添加占比约41%）、60kg（对应添加占比约46%）、70kg（对应添加占比50%）、80kg（对应添加占比约53%）、90kg（对应添加占比56%）、100kg（对应添加占比59%）。
制备方法采用实施例3的制备方法，对应所得的过滤纸为D10A、D20B、D30C、D40D、D50E、D60F、D70G、D80H、D90I、D100J。
根据GB/T 454-2020标准测得耐破度对应为D10A-251KPa、D20B-258KPa、D30C-261KPa、D40D-255KPa、D50E-242KPa、D60F-237KPa、D70G-223KPa、D80H-220KPa、D90I-217KPa、D100J-213KPa。
在不添加苎麻纤维的情况下（本对比例），所得空气过滤纸的整体耐破度相比添加苎麻纤维（实施例4）要低。
实施例5：
本实施例探究木棉纤维含量对空气过滤纸容尘量的影响。以实施例4中的配方所得空气过滤纸为测试对象，以含50%液体气溶胶（50%A2灰+50%DEHS）作为容尘量测试条件，测试结果如表1。
表1 不同木棉纤维含量的空气过滤纸容尘量
从测试结果来看，随着木棉纤维含量的增加，容尘量呈上升趋势，在含量达到50%以后，容尘量变化不明显。
对比例2：
与实施例3的不同在于：植物纤维原料为木棉纤维50kg，阔叶植物纤维40kg，即不包含苎麻纤维。在高含油量的过滤物质使用环境下使用2个月就会出现损破。
所得过滤纸的基重101 g/m2，根据GB/T 454-2020标准测得耐破强度为187kPa。远低于添加了苎麻纤维的实施例组。
对实施例1-3、对比例2的空气过滤纸容尘量进行测试。以含50%液体气溶胶（50%A2灰+50%DEHS）作为测试条件，测试结果如表2。
表2 实施例1-3、对比例1的空气过滤纸容尘量
从测试结果来看，实施例1-实施例3的容尘量均可达到300g/m2以上。没有添加苎麻纤维的对比例2为339 g/m2，与实施例组之间没有显著差异。说明苎麻纤维的添加对容尘量的影响不大。
Claims (10)
1.一种空气过滤纸，由包括植物纤维、化学合成纤维、湿强剂和干强剂的原料按照纸张抄造方法制备而成，其特征在于，所述植物纤维包括木棉纤维、苎麻纤维和木浆纤维，按照原料的绝干质量计，所述木棉纤维的添加量占植物纤维浆料、化学合成纤维总重量的5%至60%。
2.根据权利要求1所述的一种空气过滤纸，其特征在于，所述木棉纤维的添加量占植物纤维浆料、化学合成纤维总重量的10%至50%。
3.根据权利要求1所述的一种空气过滤纸，其特征在于，所述木棉纤维的添加量占植物纤维浆料、化学合成纤维总重量的20%至40%。
4.根据权利要求1所述的一种空气过滤纸，其特征在于，所述木棉纤维的添加量占植物纤维浆料、化学合成纤维总重量的25%至30%。
5.根据权利要求1所述的一种空气过滤纸，其特征在于，所述化学合成纤维和植物纤维浆料的质量比为1-25:100。
6.根据权利要求1所述的一种空气过滤纸，其特征在于，所述木浆纤维包括针叶植物纤维和阔叶植物纤维，所述阔叶植物为多年生常绿树。
7.根据权利要求1所述的一种空气过滤纸，其特征在于，所述针叶植物为雪松、桧柏、柳杉、罗汉松、水杉、落羽杉、池杉、落叶松中的一种或两种以上混合。
8.根据权利要求1所述的一种空气过滤纸，其特征在于，所述湿强剂为WS-1，干强剂为淀粉、瓜尔胶、羧甲基纤维素、苯丙乳液或酚醛树脂中的一种或两种以上混合。
9.如权利要求1所述一种空气过滤纸的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S-1.植物纤维浆料的制备：将植物纤维原料进行打浆，得到植物纤维浆料；
S-2.合成纤维浆料的制备：将合成纤维原料加水疏解分散，制得合成纤维浆料；
S-3.混合浆的制备：将所得的植物纤维浆料与合成纤维浆料混合；
S-4.抄造成型:向配置好的混合浆内加入湿强剂，抄造成型湿纸页，烘干，得到空气过滤纸原纸；
S-5.涂布：用配置好的干强剂对原纸进行表面涂布得到空气过滤纸成品。
10.根据权利要求9所述一种空气过滤纸的制备方法，其特征在于，木棉纤维在混合浆制备之前，先采用碱液对其进行预处理，处理温度为60℃～70℃的恒温水浴锅中，碱处理1h～1.5h，再用去离子水反复清洗至中性。
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