CN116036728A - 一种深层过滤介质及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及过滤纸板领域，具体涉及一种深层过滤介质及其制备方法，包括合成纤维和二氧化硅助滤剂，所述深层过滤纸板具有用于接收待过滤液的进液面、和将透过液排出的出液面，所述纤维包括纤维直径不小于1μm的粗纤维和纤维直径不大于1μm的细纤维；所述细纤维之间相互缠绕联结形成细纤维网络，所述细纤维网络包括联结粗纤维的联结部，所述助滤剂分散于所述骨架的空隙中；所述深层过滤介质的紧度为0.1～0.5g/cm³；所述深层过滤介质的精度为0.1～20μm；所述深层过滤介质的蓬松度为60～95％。本申请制备得到的深层过滤介质可以兼顾强度、杂质溶出和通量三者。

Description

一种深层过滤介质及其制备方法

技术领域

本发明涉及深层过滤介质的领域，更具体地说，它涉及一种深层过滤介质及其制备方法。

背景技术

深层过滤介质通常是由天然植物纤维、助滤剂及粘结剂复合而成的深层过滤介质，通过机械拦截、疏水作用吸附、静电吸附等机理去除液体中的杂质。过滤纸板通常是具有梯度密度结构的材料，一般在靠近顶部具有较大的孔，而在底部具有较小的孔。在生物医药领域，过滤纸板常被用于上下游过程中的过滤和纯化，例如分离细胞或细胞碎片、分离颗粒物和胶体、降低药液的生物载荷的过滤等。

深层过滤介质中包含有痕量的来自于纤维、助滤剂、粘结剂等可进入含水过滤流中的污染物。因此，含有深层过滤介质的滤器在使用前，需要大量预冲洗，通常用大量水将其中的有机和无机污染物降低至可接受的水平。但是，对于在细胞培养物的加工过滤上，目前的深层过滤介质很难仅通过冲洗使得污染物降低到不影响下游过程。

EMD密理博公司的授权公告号为CN105492101B的中国发明专利公开了一种具有低可提取物的高容量复合深层过滤介质，具有与第二层连成一体的无纺布第一层，所述第二层包含聚丙烯腈(PAN)纤维、助滤剂和湿强树脂。该深层过滤介质表现出增加的二次澄清期间对来自生物/细胞培养进料流的可溶性杂质如DNA和宿主细胞蛋白的结合能力，以及收获的细胞培养流体的低水平杂质清除。

上述EMD密理博公司的深层过滤介质虽然通过采用聚丙烯腈纤维代替传统的植物纤维，提高了对来自进料流中的生物类杂质的结合能力，提高了在收获的细胞培养流体的低水平杂质清除能力，但是其并没有降低纸板本身杂质溶出后对过滤流的干扰，并不能将纸板的强度和杂质溶出量做到有效的统一，以得到强度较好、杂质溶出较低的纸板产品。

发明内容

针对现有技术存在的的问题，本发明的目的在于提供一种深层过滤介质及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种深层过滤介质，包括合成纤维和二氧化硅助滤剂，所述深层过滤介质具有用于接收待过滤液的进液面、和将透过液排出的出液面，

所述纤维包括纤维直径不小于1μm的粗纤维和纤维直径不大于1μm的细纤维；

所述细纤维之间相互缠绕联结形成细纤维网络，所述细纤维网络包括联结粗纤维的联结部，所述助滤剂分散于所述骨架的空隙中；

所述深层过滤介质的紧度为0.1～0.5g/cm³；

所述深层过滤介质的精度为0.1～20μm；

所述深层过滤介质的蓬松度为60～95％；

所述深层过滤介质的蓬松度通过下式进行计算：

其中，M为深层过滤介质总质量，V为深层过滤介质的总体积，m为深层过滤介质在1000℃下灼烧完全后得到残留物的质量，ρ₁为纤维材料的密度，ρ₂为助滤剂的密度。

本申请通过对在一定精度范围内的深层过滤介质的紧度和蓬松度进行调控，使得深层过滤介质可以在维持较优的强度下，降低杂质溶出量，提高通量，使得深层过滤介质可以兼顾强度、杂质溶出和通量三者。

本申请中紧度和蓬松度的控制用以调节深层过滤介质中粗细合成纤维搭配情况以及纤维与助滤剂的搭配情况，当满足本申请的紧度和蓬松度条件下的深层过滤介质，粗细合成纤维的搭配以及纤维与助滤剂之间的搭配组合更为相辅相成，使得深层过滤介质的强度和通量能够达到有机的统一，而不是像传统的深层过滤介质一般，均通过提高紧度，损失部分通量为代价以提高深层过滤介质的强度和精度。

究其更深层次的原因，可能是在本申请的紧度和蓬松度限定下，粗纤维和细纤维的帚化程度得到合理的搭配，其中细纤维的帚化程度高，粗纤维的帚化程度更低，而帚化程度高的细纤维更容易缠绕连结形成网状的结构，而且形成的网状结构连结点更多，连结更稳定牢固。粗纤维直径更大，帚化程度更低，粗纤维弯曲折叠缠绕而相互缠结，同时在粗纤维之间帚化程度更高的细纤维进一步将粗纤维与粗纤维连结更加牢固稳定，使得细纤维与粗纤维之间可以缠绕形成结合相对稳定的结构。

本申请的深层过滤介质主要是通过合成纤维之间的机械连锁作用，保证深层过滤介质的湿强度满足纸板的使用情景。传统的深层过滤介质中为了使得深层过滤介质的强度可以满足标准，必须添加粘结剂以保证在过滤过程中有较好的湿强度。但是粘结剂的添加会导致杂质溶出增多，尤其是粘结剂中含有带阳离子的片段，其溶出后对于生物医药领域的应用具有较大的潜在风险。因此，本申请的深层过滤介质内可以添加粘结剂，也可以不添加粘结剂。

添加少量的粘结剂可以进一步提高深层过滤介质的结合强度，提高深层过滤介质的耐破度、耐弯折度等；而且少量的粘结剂添加对于杂质的溶出影响甚微，因为粘结剂本身含量低，则产生的可以脱落的粘结剂片段含量也较低，很容易控制在较低水平的杂质片段溶出。不添加粘结剂则杂质溶出的问题基本可以得到解决。

本申请进一步设置为，所述深层过滤介质不含粘结剂。

本申请的深层过滤介质在不加粘结剂的情况下，依旧可以达到所需的强度以及精度。而且在不添加粘结剂时，由粘结剂带来的杂质脱落问题可以得到根源性地解决，制备得到的深层过滤介质不会出现微量的粘结剂片段进入后端料液中的问题，使得深层过滤介质的纯净度得到极大程度地提高。

本申请进一步设置为，所述深层过滤介质粗纤维的直径为1～70μm；细纤维的直径为15～150nm。

粗纤维的直径过大，则粗纤维不易被细纤维所连结，深层过滤介质的湿强度等机械性能均会受到影响。粗纤维的直径过小，则粗细纤维的缠绕过于紧密而导致纸板的通量受到影响。细纤维的直径过大，则细纤维的分丝帚化程度会变差，细纤维很难将粗纤维机械连结，从而形成稳定的纸板。细纤维的直径过小，则细纤维容易成团而导致深层过滤介质各处性能出现不均衡的情况。

本申请进一步设置为，所述合成纤维和助滤剂的质量比为0.8～3.5∶1。

合成纤维和助滤剂的质量比过大，则助滤剂的作用会变得不明显，深层过滤介质的紧度和蓬松度较难调整到合适的水平，很难将纸板调整成兼顾强度和通量和谐统一的程度。合成纤维和助滤剂的质量比过小，则深层过滤介质的湿强度很难提高，纸板容易在水中散开，尤其是在未添加粘结剂的情况下。

本申请进一步设置为，所述深层过滤介质沿厚度方向等分为三层，分别为上层、中层和下层，所述上层的二氧化硅的含量为A₁，中层的二氧化硅的含量为A₂，下层的二氧化硅的含量为A₃，A₁，A₂，A₃依次增大，A₁∶A₂∶A₃＝1∶1.6～3.2∶3.5～4.5。

二氧化硅的含量在深层过滤介质的厚度方向上逐渐升高，可以进一步优化深层过滤介质的过滤速度。因为深层过滤介质在制备过程中由于真空抽吸的作用，使得构成深层过滤介质的合成纤维中，细纤维会明显向出液面迁移，导致深层过滤介质靠近出液面的一侧区域内纤维之间的空隙减少，孔隙率降低，影响深层过滤介质的过滤速度。所以当控制二氧化硅的含量沿深层过滤介质的厚度方向自进液面向出液面增多时，由于二氧化硅内部具有较多的微孔结构和较大的比表面积，因此二氧化硅颗粒可以提高细纤维含量较多的区域内的空隙率。

本申请进一步设置为，所述深层过滤介质自进液面向出液面沿厚度方向等分为三层，分别为上层、中层和下层，所述上层中合成纤维和助滤剂的质量比为k₁，所述中层中合成纤维和助滤剂的质量比为k₂，所述下层中合成纤维和助滤剂的质量比为k₃，k₁＝2～10，k₂＝1～4，k₃＝0.2～2，且k₁，k₂，k₃依次减小。

在深层过滤介质中，助滤剂主要起到减少过滤阻力、提高过滤速度和澄明度的作用；其次，助滤剂还可以增加纸板的强度、韧性和耐弯折能力；助滤剂还可以提高浆料的加工性。

深层过滤介质中助滤剂的质量比例沿厚度方向自进液面向出液面逐渐增大，说明深层过滤介质沿厚度方向自进液面向出液面上，深层过滤介质的过滤阻力越低、过滤速度越快、纸板强度、韧性和耐弯折能力越好。

深层过滤介质中合成纤维中纤维直径偏细的细纤维由于在制备中受到真空抽吸的影响，细纤维会向深层过滤介质的出液面迁移，使得深层过滤介质的细纤维含量靠近出液面一侧多于靠近进液面一侧。细纤维含量越高的区域内，合成纤维缠绕更加紧密，合成纤维之间的空隙更小且更少，因此助滤剂的比例增加可以弥补细纤维含量高的区域内空隙变少的不足。

深层过滤介质内的孔隙包括助滤剂的孔隙和纤维之间的间隙，当助滤剂的含量增多时，一方面助滤剂的孔隙变多，另一方面助滤剂使得纤维之间的空隙变多变大。

本申请进一步设置为，所述深层过滤介质沿厚度方向等分为三层，分别为上层、中层和下层，所述上层的紧度为B₁，中层的紧度为B₂，下层的紧度为B₃，B₁，B₂，B₃依次增大，B₁∶B₂∶B₃＝1∶1.1～1.3∶1.32～1.4。

深层过滤介质的紧度在厚度方向上自进液面向出液面的紧度逐渐变大，说明深层过滤介质的精度自进液面向出液面逐渐升高，用以提高深层过滤介质的过滤效果。

而控制深层过滤介质在厚度方向上的紧度梯度变化率在一定程度范围内是必须的，因为如果深层过滤介质的紧度梯度变化率过大，深层过滤介质靠近出液面的一侧区域内的紧度过大或者深层过滤介质靠近进液面的一侧区域内的紧度过小。深层过滤介质靠近出液面的一侧的区域内紧度过大会导致深层过滤介质靠近出液面的一侧的区域内阻力过大，从而引起深层过滤介质内流体过滤时的阻力变化过快的现象，会导致深层过滤介质内部孔道的损伤或冲洗下更多的粘结剂杂质片段。若深层过滤介质靠近进液面的一侧的区域内紧度过小，深层过滤介质靠近进液面一侧的区域内材料之间的连结强度较小，容易在较大的压降下发生坍缩，造成深层过滤介质的损伤。因此，本申请中的深层过滤介质的紧度需要控制在一定范围内，同时紧度在厚度方向上的变化程度也需要在一定范围内，才能得到兼顾精度、强度和通量的深层过滤介质。

本申请进一步设置为，所述粗纤维的SEM平均直径为5～20μm；所述细纤维的SEM平均直径为0.1～0.6μm。

粗纤维和细纤维的SEM平均直径可以通过使用扫描电子显微镜对深层过滤介质进行形貌表征后，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量后计算测得；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数，上述测量手段仅供参考。

经测量，对于深层过滤介质整体而言，粗纤维的SEM平均直径和细纤维的SEM平均直径需要满足上述范围内，本申请的深层过滤介质的强度、精度和通量均能达到较优的水平。可能的原因是，如果纸板产品中的粗纤维直径过大，细纤维的直径过小，细纤维与粗纤维之间形成的机械连锁作用不足以维持纸板的精度稳定，在冲洗或者过滤的过程中，细纤维容易在过滤流的作用下与粗纤维之间发生脱离或断裂，造成深层过滤介质内的孔隙发生变化，影响精度；同时，从粗纤维上脱离或断裂的细纤维也容易形成堵塞，或者进入过滤流中造成杂质污染。如果粗纤维的直径过小，而细纤维的直径过大，则深层过滤介质很难形成精度呈进液面向出液面变高的趋势，或者即使形成精度梯度升高的趋势，也无法调节至本申请中可以兼顾精度、强度和通量等各项性能的地步。

本申请进一步设置为，出液面上的细纤维SEM平均直径与进液面上的细纤维的SEM平均直径之比为1∶2～6。

进液面和出液面上的细纤维的SEM平均直径可以通过使用扫描电子显微镜对深层过滤介质的进液面和出液面进行形貌表征后，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量后计算测得；当然本领域技术人员也可以通过其他测量手段获得上述参数，上述测量手段仅供参考。

控制进液面上细纤维的SEM平均直径小于出液面上的细纤维的SEM平均直径，说明在纸板制备过程中，纤维直径越细的纤维更容易向出液面迁移，而细纤维越细，在该厚度区域内纤维之间形成的空隙尺度更小，流道更加错综复杂，从而使得深层过滤介质在该厚度区域内的过滤精度得到显著提高。而控制靠近出液面区域内的过滤精度高于靠近进液面区域内的过滤精度，可以提高纸板对于杂质或者所需截留物质的截留能力，使得过滤后的流体纯度或者澄清度大大提高。

本申请进一步设置为，所述合成纤维包括聚丙烯腈纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维中的一种。

本申请进一步设置为，所述深层过滤介质的干耐破度为300～500kpa，湿耐破度为100～300kpa。

本申请进一步设置为，所述深层过滤介质有如下IvIg蛋白吸附性能：由进料面向所述深层过滤介质供给0.5g/L的IvIg蛋白溶液，用所述深层过滤介质捕捉IvIg蛋白，过滤100L/m²，测定滤出的IvIg蛋白溶液时，浓度降低5％～30％。

IvIg蛋白吸附性能是指深层过滤介质的疏水作用吸附能力。本申请的深层过滤介质对于IvIg蛋白的吸附能力控制在一定程度内，以此作为控制原料合成纤维和助滤剂整体综合的疏水能力程度。因为，在能够制备出成型纸板的前提下，如果合成纤维和助滤剂的疏水程度过高，不利于纸板对过滤流体如水或含水溶液的通过，会产生较大的阻力，而为了克服该阻力，通常需要提高过滤时的压降，因此对于纸板的强度以及精度等各项性能提出了更高的要求，并不合适。而如果合成纤维和助滤剂的疏水程度过低，则在制备过程中合成纤维之间由于表面暴露的来自于亲水改性或合成纤维自身的亲水基团(比如羟基)相互的吸引力(比如氢键)，使得合成纤维之间存在相互贴合的趋势，虽然不会至于发生团聚而影响纸板的均匀性，但是纸板整体的密实程度明显增大，纸板的通量会发生明显下降。

因此，控制深层过滤介质整体的疏水程度在一定范围内，是为了能够制备得到兼顾精度、强度和通量均较优的深层过滤介质。

本申请进一步设置为，所述深层过滤介质的进液面的接触角为30～50°，出液面的接触角为40～60°。

深层过滤介质的进液面的接触角和出液面的接触角大小说明了纸板的进液面和出液面侧的疏水强度。如果纸板进液面的疏水性过强，则过滤流体不易润湿纸板，需要在较大的压力下才能维持正常的流速，因此过滤的能耗较大，对于纸板的强度等要求也过高，并不适用。而控制纸板出液面的疏水性不高，也是为了使得深层过滤介质整体的疏水强度得到控制，避免靠近出液面一侧的疏水性过强，对于过滤的阻力过大。其次，由于本申请的深层过滤介质中采用的纤维是合成纤维，本身便具备一定的疏水性，如果想控制深层过滤介质的疏水强度至较低的程度，那么对于合成纤维的亲水改性程度需要控制在较高的程度。但是合成纤维的亲水性过强，会导致制备纸板的过程中，纤维有相互贴合的趋势，导致纸板的密实度提高，蓬松度降低，影响纸板的通量。

本申请进一步设置为，所述深层过滤介质用超纯水源以10L/min/m²流速进行冲洗600L/m²后，冲洗水中的总有机碳值低于0.15ppm。

本申请中制备得到的深层过滤介质的杂质脱落量(以冲洗水中总有机碳为标准)可以达到0.15ppm及以下，即深层过滤介质的杂质脱落量处于非常低的水平，对于后端流体的影响微乎其微，基本可以摆脱杂质脱落进入后端料液的困扰。而且在此基础上，对于纸板的强度、通量等性能还可以进行大范围的调节，以制备得到远超目前纸板性能的深层过滤介质。

一种深层过滤介质的制备方法，包括以下步骤：

S1：打浆，从合成纤维原料中选取回潮率为1～2％，加拿大游离度为300～800ml的粗纤维与水混合打浆得到粗纤维浆料；从合成纤维原料中回潮率为2～5％，加拿大游离度为20～100ml的细纤维与水混合打浆得到细纤维浆料；

S2：混合，将粗纤维浆料和细纤维浆料混合，并加入助滤剂，搅拌均匀，得到混合浆料；

S3：预成型，将混合浆料铺在筛网上，并用真空抽吸筛网未铺混合浆料的一面，形成预定型的初成品；

S4：烘干定型，将初成品进行定型烘干；

S5：冲切，将初成品进行裁切形成成品。

在上述深层过滤介质的制备工艺中，我们采用不同游离度的合成纤维作为原料，是因为游离度较大的粗纤维分丝帚化程度较低，而游离度较小的细纤维分丝帚化程度较高，当两者混合后，分丝帚化程度较高的细纤维容易相互缠绕连结形成稳定的三维网状结构，在形成网状结构的同时细纤维也会将粗纤维锁进网状结构内，从而构造成细纤维“束缚”粗纤维的稳定的高强度结构，使得纸板在不含粘结剂的情况下也能维持纸板原有的甚至更好的机械性能。

其次，合成纤维的回潮率控制粗纤维较低，细纤维的回潮率较高，说明粗纤维的亲水性较差，而细纤维的亲水性较好；从而使得在制备过程中，细纤维可以较好地跟随水分被抽吸流失的过程而与各个粗纤维之间形成机械连结作用，而粗纤维则不易随着水分被抽吸流失的过程而发生较多的形变，用以维持纸板的骨架，起到更好的支撑作用，从而在即便未添加粘结剂的情况下，也能得到强度较好，通量也较好的纸板。

本申请进一步设置为，所述助滤剂为D₅₀粒径为5～30μm的二氧化硅。

本申请进一步设置为，所述粗纤维和细纤维均进行过亲水表面活性剂处理。

本申请进一步设置为，所述亲水表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钙、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酰胺、环氧乙烷中的一种或多种。

本申请中合成纤维通常具有较强的疏水性，当其在打浆过程中分散到水中时，疏水性过强的纤维之间容易发生团聚，导致纤维在浆料里分散不均匀，从而造成后续纸板成型时出现不均匀的情况。因此，对粗细纤维均需进行亲水表面活性处剂处理，使得合成纤维的疏水性大大降低，避免团聚现象的发生。

其次，合成纤维也不能被处理成过于亲水，因为过于亲水的合成纤维容易发生像纤维素纤维一样的问题，即在纸板预成型步骤中，纤维由于亲水性较好，容易在真空抽吸的作用下，纤维与纤维之间排列的过于紧密，导致深层过滤介质成型后紧度出现非期望的增强，而通量出现非期望的减小，甚至影响正常使用。

因此，在本申请的深层过滤介质的制备工艺中，控制合成纤维的疏水程度也会一个关键的因素，对于最终成型及定型后的深层过滤介质性能具有不可忽视的影响。当粗细合成纤维的疏水程度控制在合适的程度时，深层过滤介质产品的精度、紧度和通量才均能维持在一个较优的水平。

本申请进一步设置为，控制真空抽吸按时间分为三个阶段，且所述混合浆料分成三份分别在三个阶段内导入筛网上；

第一阶段：真空度为-80～-60kpa，抽真空时间为总真空抽吸时间的5％～10％；浆料投入量为10～20％；

第二阶段：真空度为-100～-80kpa；抽真空时间为总真空抽吸时间的20％～45％；浆料投入量为30～40％；

第三阶段：真空度为-60～-40kpa；抽真空时间为总真空抽吸时间的50％～70％；浆料投入量为30～50％。

在上述深层过滤介质的制备工艺中，步骤S3预成型阶段中对混合浆料的真空抽吸分为多阶段进行，并且对每个阶段的真空度、抽真空时间和浆料添加量进行调控，以制备得到紧度和精度在纸板的厚度方向上呈梯度升高、而蓬松度维持在较优水平的深层过滤介质，从而使得深层过滤介质可以兼顾高精度、高强度和高通量。

本申请进一步设置为，所述S4步骤中，烘干温度为120～180℃。

通过烘干温度的控制使得预成型后的纸板内残留的水分以及部分表面活性剂成分挥发，从而得到提高深层过滤介质整体的疏水性能，提高深层过滤介质的疏水作用吸附能力，对于深层过滤介质应用于生物制品领域的除杂具有较大的优势。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

第一、本申请通过采用粗细不同的合成纤维搭配助滤剂构造得到深层过滤介质，并且控制深层过滤介质的精度、紧度和蓬松度以得到能够基本解决杂质溶出问题、以及兼顾强度、通量和过滤效率的优于传统深层过滤介质的深层过滤介质。

第二、本申请通过控制助滤剂在深层过滤介质自进液面至出液面上的分布情况，以得到精度梯度升高，通量不影响甚至通量提高的深层过滤介质。

第三、本申请在深层过滤介质的制备工艺中，通过控制合成纤维的疏水程度、搭配不同帚化程度的合成纤维、控制预成型过程的真空抽吸的方式，以制备得到兼顾精度、强度和通量的深层过滤介质。

附图说明

图1是实施例1中制备得到的深层过滤介质的进液面的500×的SEM电镜图；

图2是实施例1中制备得到的深层过滤介质的出液面的500×的SEM电镜图；

图3是实施例1中制备得到的深层过滤介质的截面的500×的SEM电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

实施例1

一种深层过滤介质的制备方法，包括以下步骤：

S1：打浆，从聚丙烯腈合成纤维原料中选取回潮率为1.2％，加拿大游离度为650ml的粗纤维与水混合打浆得到4wt％的粗纤维浆料；

从聚丙烯腈纤维中选取回潮率为4.3％，加拿大游离度为20ml的细纤维与水混合打浆得到1wt％的细纤维浆料；

其中，粗纤维和细纤维原料均预先通过在在质量浓度为5％的十二烷基硫酸钠亲水表面活性剂溶液浸泡作亲水处理，随后再进行配制打浆。

S2：混合，将粗纤维浆料和细纤维浆料混合，随后加入二氧化硅助滤剂，搅拌均匀，得到混合浆料；

其中各组分含量：粗纤维纤维18wt％，细纤维纤维58wt％，助滤剂24wt％。

二氧化硅助滤剂的D₅₀粒径为10μm。

S3：预成型，将混合浆料铺在筛网上，并用-65kpa的真空度真空抽吸筛网未铺混合浆料的一面，形成预定型的初成品。

S4：烘干定型，将初成品在130℃下进行定型烘干，烘干直至含水率低于10％；

S5：冲切，将初成品进行裁切形成成品。

对制备得到纸板进行以下测试：

1)测试精度：

选用不同粒径的聚苯乙烯微球通过待测试纸板，以能够滤除98wt％的颗粒的最小聚苯乙烯微球尺寸作为该测试纸板的过滤精度。

2)测试通量：

将深层过滤介质安装到水流速测试装置中，控制上下游压差为100kpa，水温为20℃，测试得到深层过滤介质的通量。

3)测试干湿耐破度：

用NPD-02全自动耐破度测定仪测试纸板在绝干和湿润状态下的耐破度大小。

4)测试总有机碳值：

用超纯水以10L/min/m²流速进行冲洗600L/m²。冲洗过程中每2min用干净容器在深层过滤介质下游取冲洗水测试总有机碳(TOC)值。

5)测试冲洗液中溶出铵根离子浓度值：

用超纯水以10L/min/m²流速进行冲洗600L/m²。冲洗过程中每2min用干净容器在深层过滤介质下游取冲洗水测试总铵根离子浓度值。

实施例1制备得到的纸板的精度为5μm，厚度为3.6mm，直径为90mm，紧度为0.22g/cm³，蓬松度为78％，湿耐破度为211kpa，干耐破度为416kpa，通量为3919L/min·m²，总有机碳值(TOC)小于0.15ppm，铵根离子溶度小于10ppm。

用扫描电子显微镜拍摄实施例1制备得到的深层过滤介质的进液面、出液面以及截面，如图1～3所示，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量后计算测得。

粗纤维的SEM平均直径为12.3μm；细纤维的SEM平均直径为0.13μm。出液面上的细纤维SEM平均直径与进液面上的细纤维的SEM平均直径之比为1∶5。

实施例2～13中，对深层过滤介质的工艺参数和原料选择进行调整，制备得到不同紧度和蓬松度的深层过滤介质。

表1

上述表1为实施例2～13以及对比例1～3的真空度选择以及纤维、助滤剂参数，其他步骤均与实施例1相同。

实施例14～17中，除了表1中的真空度选择以及纤维、助滤剂参数外，还添加了如表1所示的少量聚氨基聚酰胺-表氯醇粘结剂。

对比例4中，除了表1中的真空度选择以及纤维、助滤剂参数外，纤维原料为天然棉纤维，且不经过亲水处理，其他步骤均与实施例1相同。

对比例5中，除了表1中的真空度选择以及纤维、助滤剂参数外，还添加了大量聚氨基聚酰胺-表氯醇粘结剂。

表2

表2中展示了实施例1～17以及对比例1～5中制备得到的深层过滤介质的各项性能参数。由实施例1～13的数据可以看出，当紧度和蓬松度满足本申请的范围时，深层过滤介质的干湿耐破度均处于较优的水平，而且通量也处于较高的水平，相较于对比例4(传统纤维素纤维纸板)的纸板提高了1倍以上，而TOC值和铵根离子溶出量也大大降低。而对比例1～3中仅满足紧度或者蓬松度之中的一者时，或者均不满足时，可以看到通量和强度并不能达到有机的统一，往往会出现湿强度变差或者通量变得极低。

实施例14～17与对比例5均添加了粘结剂，区别在于实施例14～17中粘结剂添加的量较少，并且通过紧度和蓬松度的控制以调节纸板的强度达到要求的水平(＞200kpa)，而对比例5通过粘结剂来提高纸板的强度以达到要求的水平，但是对比例5中TOC值和铵根离子溶出浓度均变大，因此可以明显看出本申请中采用选择不同回潮率和游离度的粗细纤维搭配以使得粗细纤维之间机械连结形成的稳定骨架的方式可以降低纸板杂质的溶出。

由表2可以看出，本申请中主要是通过粗细纤维的质量比例、粗细纤维的游离度以及回潮率共同控制以制备得到所需紧度和蓬松度的深层过滤介质，通过紧度和蓬松度的限定以制备得到强度较优、通量较好、杂质溶出量较低的深层过滤介质。

实施例18～21与实施例1的区别在于纤维总质量与助滤剂质量的比例不同，其中实施例18的纤维总质量与助滤剂质量比为1∶1，实施例19的纤维总质量与助滤剂质量比为3∶1，实施例20的纤维总质量与助滤剂质量比为3.2∶1，实施例21的纤维总质量与助滤剂质量比为4.5∶1。

表3

表3显示在不改变工艺步骤的情况下，改变纤维总含量和助滤剂含量的比例，从而制备得到具有对应紧度和蓬松度的深层过滤介质。制备得到的深层过滤介质的各项性能中可以看出，满足本申请的纤维质量与助滤剂质量比范围时，纸板的强度和通量均处于较优的水平，而比值过小会导致纸板的湿强度不足以维持纸板在100kpa下的通量测试，而比值过大会导致纸板的通量出现变小的趋势，可能是由于纤维含量增多会导致纸板厚度方向上出现孔隙率极低的“致密”的界面层，虽然纸板整体的蓬松度依旧较大，但是纸板通量依旧变小。

实施例22

一种深层过滤介质的制备方法，包括以下步骤：

S1：打浆，从聚丙烯腈合成纤维原料中选取回潮率为1.2％，加拿大游离度为650ml的粗纤维与水混合打浆得到4wt％的粗纤维浆料；从聚丙烯腈纤维中选取回潮率为4.3％，加拿大游离度为20ml的细纤维与水混合打浆得到1wt％的细纤维浆料；

其中，粗纤维和细纤维原料均预先通过在在质量浓度为5％的十二烷基硫酸钠亲水表面活性剂溶液浸泡作亲水处理，随后再进行配制打浆。

S2：混合，将粗纤维浆料和细纤维浆料混合，随后加入二氧化硅助滤剂，搅拌均匀，得到混合浆料；其中各组分含量：粗纤维纤维18wt％，细纤维纤维58wt％，助滤剂24wt％。二氧化硅助滤剂的D₅₀粒径为10μm。

S3：预成型，将混合浆料铺在筛网上，并用真空抽吸筛网未铺混合浆料的一面，形成预定型的初成品；控制真空抽吸按时间分为三个阶段，且混合浆料分成三份分别在三个阶段内导入筛网上；

第一阶段：真空度为-80kpa，抽真空时间为总真空抽吸时间的5％；浆料投入量为10％；

第二阶段：真空度为-100kpa；抽真空时间为总真空抽吸时间的45％；浆料投入量为40％；

第三阶段：真空度为-60kpa；抽真空时间为总真空抽吸时间的50％；浆料投入量为50％；

总真空抽吸时间为15min。

S4：烘干定型，将初成品在130℃下进行定型烘干，烘干直至含水率低于10％。

S5：冲切，将初成品进行裁切形成成品。

实施例23～35与实施例22的区别在于，主要通过步骤S3中真空抽吸步骤中各个阶段真空度、抽真空时间和浆料投入量的调整以控制深层过滤介质上中下三层的助滤剂含量不同，以及控制上中下三层中纤维和助滤剂的比例不同。

对制备得到纸板进行以下测试：

将深层过滤介质沿厚度方向等分切成三等分，自进液面向出液面依次分为上层、中层和下层。

助滤剂含量按照以下方法进行测试：

将样品纸板置于1000±25℃的马弗炉中灼烧至恒重(3h)，称量为m。

纤维与助滤剂比例按照下式进行计算：

其中，M为样品纸板的总重量。

紧度按照下式进行计算：

其中，G为用电子精密天平等仪器测试样品的质量，d为用电动厚度测试仪测试样品的厚度，S为样品的截面积。

表4-1

表4-2

通过表4可以看出，上中下三层中的助滤剂含量升高时，且升高的幅度在本申请所述的范围内时，通量可以进一步得到提高。

表5-1

表5-2

通过表5可以看出，上中下三层中的纤维和助滤剂比例呈下降趋势时，对于通量具有明显的提升，而且上中下三层在满足本申请的纤维和助滤剂比例范围时，通量提升更为明显。因为粗细纤维搭配的情况下制备得到的纸板，细纤维的趋势总是下层多于上层，呈梯度增加，而细纤维的含量越高，在该层内的纤维之间的缠绕一般会更加紧密，而二氧化硅助滤剂的嵌入可以一定程度上增加该层内的孔隙率和蓬松度，从而避免由于纤维之间结合过于紧密而导致通量降低过多。因此上表5中，当助滤剂的含量在厚度方向上呈梯度减少时，通量明显降低。

实施例36～41与实施例22的区别在于，主要通过步骤S3中真空抽吸步骤中各个阶段真空度、抽真空时间和浆料投入量的调整以控制深层过滤介质上中下三层的紧度不同。

表6-1

其中，实施例36～41上中下三层的助滤剂含量比例为1∶2∶3，实施例36～38上中下三层中纤维和助滤剂质量比分别为3∶1、1∶1、1∶0.5，实施例39、40、41中上层、中层、下层的纤维和助滤剂质量比均接近1∶1。

表6-2

通过表6可以看出，当上中下三层的紧度梯度满足本申请的范围内，也不易过低，否则制备得到的深层过滤介质的强度和通量均会受到影响。

实施例42～50制备得到的纸板之间，主要区别在于纸板整体的IvIg蛋白吸附量以及进液面和出液面的接触角不同，其他参数维持一致。而纸板整体的IvIg蛋白吸附量以及进液面和出液面的接触角可以通过控制聚丙烯腈纤维的亲水处理程度进行调整。

IvIg蛋白截留能力可按照下式进行计算：

其中，IvIg蛋白截留能力按照以下方法进行测试：

配制0.5g/L的IvIg蛋白溶液，用夹具将夹持横截面面积为13cm²的圆片状纸板，自进料面一侧向纸板供给IvIg蛋白溶液，过滤速度为120LMH，过滤100L/m²后，测量滤液中的IvIg蛋白溶液浓度C。

表7-1

表7-2

通过表7-1和7-2的数据可以看出，深层过滤介质整体的IvIg蛋白吸附量间接象征着深层过滤介质整体的疏水综合性能，表示聚丙烯腈纤维以及助滤剂共同体现的疏水程度。而从表7-2可以看出，纤维的疏水程度对于纸板成型后的通量具有一定的影响，疏水程度在本申请所述的范围内时，疏水程度越高可以提高纸板的通量，可能是由于纤维之间在成型过程中不易过于贴合而导致致密区域的出现。其次，也可以看出，纤维的疏水程度不能过低也不能过高，过低对于通量的提升并不明显，而过高则容易造成纸板的强度受到不良的影响。

实施例51与实施例1的区别在于，步骤S3中利用压板施加等同于-65kpa真空度抽吸的作用力对筛网上的浆料进行施压。

实施例51制备得到的纸板的精度为10μm，厚度为3.6mm，直径为90mm，紧度为0.24g/cm³，蓬松度为81％，湿耐破度为231kpa，干耐破度为421kpa，通量为4119L/min·m²，总有机碳值(TOC)小于0.15ppm，铵根离子溶度小于10ppm。

将最终制备得到的深层过滤介质的进液面、出液面和截面用扫描电子显微镜进行拍摄，再利用计算机软件(如Matlab、NIS-Elements等)或手工进行测量后计算测得。

测得粗纤维的SEM平均直径为12.3μm；细纤维的SEM平均直径为0.13μm。出液面上的细纤维SEM平均直径与进液面上的细纤维的SEM平均直径之比为1.3∶1。

由此可知，控制进液面上细纤维的SEM平均直径小于出液面上的细纤维的SEM平均直径，可以使得过滤精度在厚度方向上自进液面向出液面呈梯度变小，可以有效提高过滤精度，可以提高纸板对于杂质或者所需截留物质的截留能力，使得过滤后的流体纯度或者澄清度大大提高。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (20)

1.一种深层过滤介质，包括合成纤维和二氧化硅助滤剂，所述深层过滤介质具有用于接收待过滤液的进液面、和将透过液排出的出液面，其特征在于，

所述纤维包括纤维直径不小于1μm的粗纤维和纤维直径不大于1μm的细纤维；

所述细纤维之间相互缠绕联结形成细纤维网络，所述细纤维网络包括联结粗纤维的联结部，所述助滤剂分散于所述骨架的空隙中；

所述深层过滤介质的紧度为0.1～0.5g/cm³；

所述深层过滤介质的精度为0.1～20μm；

所述深层过滤介质的蓬松度为60～95％；

所述深层过滤介质的蓬松度通过下式进行计算：

其中，M为深层过滤介质总质量，V为深层过滤介质的总体积，m为深层过滤介质在1000℃下灼烧完全后得到残留物的质量，ρ₁为纤维材料的密度，ρ₂为二氧化硅助滤剂的密度。

2.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述深层过滤介质不含粘结剂。

3.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述深层过滤介质粗纤维的直径为1～70μm；细纤维的直径为15～150nm。

4.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述合成纤维和助滤剂的质量比为0.8～3.5∶1。

5.根据权利要求4所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述深层过滤介质沿厚度方向等分为三层，分别为上层、中层和下层，所述上层的二氧化硅的含量为A₁，中层的二氧化硅的含量为A₂，下层的二氧化硅的含量为A₃，A₁，A₂，A₃依次增大，A₁∶A₂∶A₃＝1∶1.6～3.2∶3.5～4.5。

6.根据权利要求5所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述深层过滤介质自进液面向出液面沿厚度方向等分为三层，分别为上层、中层和下层，所述上层中合成纤维和助滤剂的质量比为k₁，所述中层中合成纤维和助滤剂的质量比为k₂，所述下层中合成纤维和助滤剂的质量比为k₃，k₁＝2～10，k₂＝1～4，k₃＝0.2～2，且k₁，k₂，k₃依次减小。

7.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述深层过滤介质沿厚度方向等分为三层，分别为上层、中层和下层，所述上层的紧度为B₁，中层的紧度为B₂，下层的紧度为B₃，B₁，B₂，B₃依次增大，B₁∶B₂∶B₃＝1∶1.1～1.3∶1.32～1.4。

8.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述粗纤维的SEM平均直径为5～20μm；所述细纤维的SEM平均直径为0.1～0.6μm。

9.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，出液面上的细纤维SEM平均直径与进液面上的细纤维的SEM平均直径之比为1∶2～6。

10.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述合成纤维包括聚丙烯腈纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维中的一种。

11.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述深层过滤介质的干耐破度为300～500kpa，湿耐破度为100～300kpa。

12.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述深层过滤介质有如下IvIg蛋白吸附性能：由进料面向所述深层过滤介质供给0.5g/L的IvIg蛋白溶液，用所述深层过滤介质捕捉IvIg蛋白，过滤100L/m²，测定滤出的IvIg蛋白溶液时，浓度降低5％～30％。

13.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述深层过滤介质的进液面的接触角为30～50°，出液面的接触角为40～60°。

14.根据权利要求1所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述深层过滤介质用超纯水源以10L/min/m²流速进行冲洗600L/m²后，冲洗水中的总有机碳值低于0.15ppm。

15.一种根据权利要求1～14所述的深层过滤介质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：打浆，从合成纤维原料中选取回潮率为1～2％，加拿大游离度为300～800ml的粗纤维与水混合打浆得到粗纤维浆料；从合成纤维原料中回潮率为2～5％，加拿大游离度为20～100ml的细纤维与水混合打浆得到细纤维浆料；

S2：混合，将粗纤维浆料和细纤维浆料混合，并加入助滤剂，搅拌均匀，得到混合浆料；

S3：预成型，将混合浆料铺在筛网上，并用真空抽吸筛网未铺混合浆料的一面，形成预定型的初成品；

S4：烘干定型，将初成品进行定型烘干；

S5：冲切，将初成品进行裁切形成成品。

16.根据权利要求15所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述助滤剂为D₅₀粒径为5～30μm的二氧化硅。

17.根据权利要求15所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述粗纤维和细纤维通过亲水表面活性剂溶液进行亲水处理。

18.根据权利要求17所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述亲水表面活性剂选自十二烷基苯磺酸钙、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酰胺、环氧乙烷中的一种或多种。

19.根据权利要求15所述的一种深层过滤介质，其特征在于，控制真空抽吸按时间分为三个阶段，且所述混合浆料分成三份分别在三个阶段内导入筛网上；

第一阶段：真空度为-80～-60kpa，抽真空时间为总真空抽吸时间的5％～10％；浆料投入量为10～20％；

第二阶段：真空度为-100～-80kpa；抽真空时间为总真空抽吸时间的20％～45％；浆料投入量为30～40％；

第三阶段：真空度为-60～-40kpa；抽真空时间为总真空抽吸时间的50％～70％；浆料投入量为30～50％。

20.根据权利要求15所述的一种深层过滤介质，其特征在于，所述S4步骤中，烘干温度为120～180℃。

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