CN116180494A - 一种深层过滤纸板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及过滤纸板领域，具体涉及一种深层过滤纸板及其制备方法，深层过滤纸板包括聚丙烯腈纤维和二氧化硅助滤剂，且不含粘结剂；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，所述聚丙烯腈纤维包括第一帚化纤维和第二帚化纤维；所述第一帚化纤维和第二帚化纤维相互缠绕形成骨架结构，所述二氧化硅助滤剂分散在骨架结构的间隙内。本申请具有降低深层过滤纸板杂质溶出并且在不添加粘结剂的情况下也可以获得较好的强度的优点。

Description

一种深层过滤纸板及其制备方法

技术领域

本发明涉及深层过滤纸板的领域，更具体地说，它涉及一种深层过滤纸板及其制备方法。

背景技术

过滤纸板是一类利用植物纤维或其他纤维配合硅藻土等助滤剂和树脂类粘结剂形成的过滤介质，被广泛应用于食品和饮料行业、制药行业及生物技术行业。过滤纸板拦截杂质的原理包括利用孔隙机械拦截、利用疏水基团的疏水相互作用进行吸附拦截或者利用静电吸附进料拦截等。

深层过滤纸板中包含有痕量的来自于纤维、助滤剂、粘结剂的可进入含水过滤流中的污染物。因此，含有深层过滤纸板的滤器在使用前，需要大量预冲洗，通常可以用大量水将其中的有机和无机污染物降低至一定的水平以下。但是，对于在制药行业及生物技术行业上的应用，处于安全性等考量，对于污染物残留量的标准更高，很多时候微量的污染物进入过滤流中即可导致整批材料的报废，而仅采用水对过滤纸板进行冲洗并不能达到这些行业可接受的水平。

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，但是可以明显看出其还是不能去除纸板本身杂质溶出的干扰。

经过申请人的研究，发现纸板本身杂质溶出的干扰主要来自于粘结剂的使用，粘结剂由于其通过时采用交联聚合的粘结原理，因此不可避免地会在纸板内存在容易被过滤流不断冲洗脱落的杂质片段，进入对过滤后收获的细胞培养液等流体造成非期望的污染。但是如果在过滤纸板中不添加粘结剂，那么深层过滤介质的各项机械性能比如湿强度等会遭到严重的不良影响。

因此，本领域人员均希望找到一种既可以降低或排除粘结剂脱落的杂质片段对过滤流的干扰，又可以兼顾各项机械性能和过滤性能的深层过滤纸板及其制备方法。

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纸板及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种深层过滤纸板，包括聚丙烯腈纤维和二氧化硅助滤剂，且不含粘结剂；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，

所述聚丙烯腈纤维包括第一帚化纤维和第二帚化纤维；

所述第一帚化纤维和第二帚化纤维相互缠绕形成骨架结构，所述二氧化硅助滤剂分散在骨架结构的间隙内；

所述第一帚化纤维和第二帚化纤维的打浆度之比为1∶1.5～3；

所述第一帚化纤维和第二帚化纤维的纤维湿重之比为1∶0.3～1；

所述第一帚化纤维经分散后的打浆度为20～25°SR；

所述第一帚化纤维和第二帚化纤维的质量比为1∶1.2～4.5。

聚丙烯腈纤维的打浆度以及纤维湿重共同反映了纤维的长度与分丝帚化程度。打浆度越高、纤维湿重越低的聚丙烯腈纤维帚化程度越高，聚丙烯腈纤维的平均长度越短。而打浆度越低、纤维湿重越重的纤维帚化程度越低，聚丙烯腈纤维的平均长度越长。本申请采用至少两种不同帚化程度的聚丙烯腈纤维进行搭配使用，以制得不含粘结剂且湿强度较高的深层过滤纸板，其中第一帚化纤维打浆度低、纤维湿重大，第二帚化纤维打浆度高、纤维湿重小。

不同帚化程度的聚丙烯腈纤维相互之间配合形成不需要粘结剂也能稳固成型的纸板骨架，其中帚化程度较低的第一帚化纤维通过弯折、堆叠等作用构成深层过滤纸板的主骨架，而帚化程度较高的第二帚化纤维通过其由较强的分丝帚化程度而产生的细纤维相互之间进行机械连结形成类似“交联网状结构”的次级骨架。

由第一帚化纤维形成的主骨架由于第一帚化纤维相互之间的连结作用比较弱，容易在外力作用下被打散。但当第一帚化纤维和第二帚化纤维共同搭配使用时，可以发现第二帚化纤维形成的次级骨架对于主骨架具有明显的加固作用。第二帚化纤维首先分散于主骨架的空隙内，并在形成次级骨架的过程中，将第一帚化纤维束缚在次级骨架的“交联网状结构”内。其中，部分第二帚化纤维上的部分由分丝帚化形成的细纤维也会与第一帚化纤维表面存在的少量由分丝帚化形成的细纤维之间发生机械连结作用，从而使得第一帚化纤维之间的连结作用得到增强，进而使得深层过滤纸板在不使用粘结剂的情况下也能获得较好的干耐破度和湿耐破度。

二氧化硅助滤剂则分散在主骨架和次级骨架的各个空隙中，并被两种帚化程度的聚丙烯腈纤维缠绕成型的过程而束缚在空隙内。

传统的深层过滤纸板一般需要添加一定量的粘结剂以加固纤维与纤维之间的连结，从而保证纸板的湿强度。

其次，第一帚化纤维和第二帚化纤维的帚化程度的差距并不是越大或者越小越有利于深层过滤纸板的成型以及提高深层过滤纸板的各项性能。两者的帚化程度差距需要满足在本申请打浆度比例和纤维湿重比例的条件下，两者之间才能形成较为稳固且各项性能优异的纸板结构。

因为如果两者纤维之间的帚化程度相差过大，相当于第二帚化纤维更短更细，而第一帚化纤维更长更粗，第二帚化纤维可能仅在第一帚化纤维的周侧形成不连续且分块的网状结构，或者形成连结稳固的区块但区块之间连结较弱的网状结构。无论前述哪种网状结构，第二帚化纤维和第一帚化纤维之间均不能形成稳固的结构。而如果两者纤维之间的帚化程度相差过小，相当于第二帚化纤维相对更长且更粗，那么第二帚化纤维较难均匀分布于第一帚化纤维形成的主骨架缝隙内，甚至形成局部缠绕过于紧密，局部过于分散的情况，导致纸板的结构均匀性出现问题，影响纸板的各项性能。

本申请进一步设置为，所述第一帚化纤维的浆料保留率为90～95％，所述第二帚化纤维的浆料保留率为60～85％，所述浆料保留率是指纤维湿重测试过程中截留在框架上的纤维烘干后的质量m₁与第一帚化纤维绝干质量m₂的比值。

本申请中浆料保留率越高，相当于被打浆度测试过程中的框架截留下的长纤维的越多，而控制第一帚化纤维和第二帚化纤维中长纤维的比例，有利于在形成纸板的过程中提高纤维之间的机械连锁作用。因为长纤维相较于短纤维而言，长纤维在纸板内，可以弯折缠绕的程度更高，与其他纤维之间的接触面积更多，接触连结的位点也更多，因此连结的强度也可以进一步提高。

本申请进一步设置为，所述聚丙烯腈纤维还包括有第三帚化纤维，所述第一帚化纤维的打浆度、第二帚化纤维的打浆度和第三帚化纤维的打浆度之比为1∶1.5～2.5∶2～3，质量比为1∶1.2～4.5∶2～4。

本申请进一步设置为，所述第二帚化纤维的浆料保留率为75～85％，所述第三帚化纤维的浆料保留率为60～75％。

通过采用上述技术方案，本申请中选用的聚丙烯腈纤维除了可以选择第一帚化纤维和第二帚化纤维两种帚化程度不同的纤维外，还可以选择第一帚化纤维、第二帚化纤维和第三帚化纤维三种帚化程度不同的纤维。

当聚丙烯腈纤维选择打浆度以及浆料保留率均呈梯度分布的第一帚化纤维、第二帚化纤维和第三帚化纤维时，此时第一帚化纤维、第二帚化纤维和第三帚化纤维之间的帚化程度和长度过渡更加平缓，帚化程度最低的第一帚化纤维作为纸板的主骨架，第二帚化纤维作为纸板的次级骨架，而第三帚化纤维作为纸板的更次一级骨架；第二帚化纤维分散在第一帚化纤维的空隙内，第三帚化纤维分散在第一帚化纤维和第二帚化纤维的空隙内，因此由三种不同帚化程度的纤维搭配得到的纸板纤维之间连结更加牢固，而且纸板的均匀性更好，纸板性能可调节的范围更大，调节更加精细。

同理，第一帚化纤维、第二帚化纤维和第三帚化纤维的帚化程度均不能相差过大或过小，在本申请的范围内，三者直接能形成

本申请进一步设置为，所述二氧化硅助滤剂的BET比表面积为200～500m²/g，所述二氧化硅助滤剂的D₅₀粒径为5～30μm。

本申请的二氧化硅优选为采用凝胶法制备得到的二氧化硅，并控制二氧化硅助滤剂的比表面积和D₅₀粒径，以使得二氧化硅助滤剂可以和聚丙烯腈纤维之间形成更好的配合，二氧化硅助滤剂一方面更容易被聚丙烯腈纤维连结，形成稳固的结构，另一方面二氧化硅的内部孔道与聚丙烯腈纤维之间的空隙可以形成复杂的孔道结构，从而提高过滤能力。

本申请进一步设置为，所述深层过滤纸板的紧度为0.1～0.4g/cm³。

本申请进一步设置为，所述深层过滤纸板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t₁，中层的紧度为t₂，下层的紧度为t₃，t₁，t₂，t₃依次增大，t₁∶t₂∶t₃＝1∶1.1～1.3∶1.32～1.4。

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

而控制深层过滤纸板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，因为如果深层过滤纸板的紧度梯度变化率过大，深层过滤纸板靠近出液面的一侧区域内的紧度过大或者深层过滤纸板靠近进液面的一侧区域内的紧度过小。深层过滤纸板靠近出液面的一侧的区域内紧度过大会导致深层过滤纸板靠近出液面的一侧的区域内阻力过大，从而引起深层过滤纸板内流体过滤时的阻力变化过快的现象，会导致深层过滤纸板内部孔道的损伤或冲洗下更多的粘结剂杂质片段。若深层过滤纸板靠近进液面的一侧的区域内紧度过小，深层过滤纸板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，造成深层过滤纸板的损伤。

因此，本申请中的深层过滤纸板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纸板。

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，深层过滤纸板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，则深层过滤纸板的湿强度很难提高，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，所述深层过滤纸板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纸板的厚度方向上逐渐升高，可以进一步优化深层过滤纸板的过滤速度。因为深层过滤纸板在制备过程中由于真空抽吸的作用，使得构成深层过滤纸板的合成纤维中，细纤维会明显向出液面迁移，导致深层过滤纸板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，影响深层过滤纸板的过滤速度。所以当控制二氧化硅的含量沿深层过滤纸板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，所述深层过滤纸板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∶k₂∶k₃＝1∶0.1～0.5∶0.02～0.15。

在深层过滤纸板中，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。

深层过滤纸板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，说明深层过滤纸板沿厚度方向自进液面向出液面上，深层过滤纸板的过滤阻力越低、过滤速度越快、纸板强度、韧性和耐弯折能力越好。

深层过滤纸板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纸板的出液面迁移，使得深层过滤纸板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。

深层过滤纸板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，所述深层过滤纸板有如下IvIg蛋白吸附性能：由进料面向所述深层过滤纸板供给0.5g/L的IvIg蛋白溶液，用所述深层过滤纸板捕捉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纸板的疏水作用吸附能力。本申请的深层过滤纸板对于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体下，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，控制深层过滤纸板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纸板。

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

深层过滤纸板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纸板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纸板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纸板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，所述深层过滤纸板的干耐破度为300～500kpa，湿耐破度为100～300kpa。

本申请进一步设置为，所述深层过滤纸板用超纯水源以10L/min/m²流速进行冲洗600L/m²后，冲洗水中的总有机碳值低于0.2ppm。

本申请中制备得到的深层过滤纸板的杂质脱落量(以冲洗水中总有机碳为标准)可以达到0.2ppm及以下，即深层过滤纸板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纸板。

一种深层过滤纸板的制备方法，包括以下步骤：

S1：打浆，选取聚丙烯腈纤维与水混合打浆得到打浆度为20～25°SR的第一帚化纤维浆料；选取聚丙烯腈纤维与水混合打浆得到打浆度为30～75°SR的第二帚化纤维浆料；

S2：混合，将第一帚化纤维浆料和第二帚化纤维浆料混合，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；控制真空抽吸的真空度为-40～-100kpa；

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。

在上述深层过滤纸板的制备工艺中，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，在上述深层过滤纸板的制备工艺中，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纸板，从而使得深层过滤纸板可以兼顾高精度、高强度和高通量。

本申请进一步设置为，所述二氧化硅助滤剂的BET比表面积为200～500m²/g，所述二氧化硅助滤剂的D₅₀粒径为5～30μm。

本申请进一步设置为，所述聚丙烯腈纤维经过亲水表面活性剂处理，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，导致深层过滤纸板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纸板的制备工艺中，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纸板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，深层过滤纸板产品的精度、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，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纸板整体的疏水性能，提高深层过滤纸板的疏水作用吸附能力，对于深层过滤纸板应用于生物制品领域的除杂具有较大的优势。

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。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

第一、本申请通过控制聚丙烯腈纤维的帚化程度，采用不同帚化程度的聚丙烯腈纤维进行搭配，获得强度较优，且纯净度高的深层过滤纸板。

第二、本申请通过控制助滤剂在深层过滤纸板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纸板。

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

一种深层过滤纸板的制备方法，包括以下步骤：

S1：打浆，从聚丙烯腈纤维原料中选取打浆度为20°SR，纤维湿重为1.9g，浆料保留率为95％的第一帚化纤维与水混合搅拌分散得到4wt％的第一帚化纤维浆料；从聚丙烯腈纤维中选取40°SR，纤维湿重为1.6g，浆料保留率为81％的第二帚化纤维与水混合打浆得到2wt％的第二帚化纤维浆料；

打浆度采用GB/T3332-2004《纸浆打浆度的测定(肖伯尔-瑞格勒法)》标准中的方法进行测试得到。

纤维湿重是采用GB/T37858-2019《纸浆纤维湿重的测定》标准中的方法进行测试得到。

浆料保留率是指纤维湿重测试过程中截留在框架上的纤维烘干后的质量m₁与第一帚化纤维绝干质量m₂的比值。

其中，第一帚化纤维和第二帚化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：第一帚化纤维58wt％，第二帚化纤维18wt％，二氧化硅助滤剂24wt％。二氧化硅助滤剂的BET比表面积为300m²/g，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)通量测试：

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

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纸板下游取冲洗水测试总有机碳(TOC)值。

5)测试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纸板下游取冲洗水测试总铵根离子浓度值。

实施例2～12、对比例1～5与实施例1的区别在于，对第一帚化纤维和第二帚化纤维的选择参数不同，如表1所示。

实施例1-1、1-2、1-3、对比例1-4、对比例1-5与实施例1的区别在于第一帚化纤维和第二帚化纤维的用量不同，如表1所示。

对比例5与实施例1的区别在于，纤维原料仅采用打浆度为20°SR，纤维湿重为1.9g，浆料保留率为95％的第一帚化纤维，其次原料中还添加有粘结剂聚氨基聚酰胺-表氯醇，各组分的比例为：第一帚化纤维70wt％、二氧化硅助滤剂27wt％、粘结剂3％。

实施例1～12、对比例1～4、实施例1-1、1-2、1-3、对比例1-4、对比例1-5制备得到的深层过滤纸板的湿耐破度、干耐破度、通量、TOC值、冲洗液中铵根离子浓度、纸板精度的数据如表2所示。

表2

/>

通过表1和表2的数据可以看出，实施例1～12按照本申请所示的方式(未添加粘结剂)制备得到的深层过滤纸板与对比例5采用传统方法(添加粘结剂)制备得到的深层过滤纸板相比，实施例1～12的纸板强度性能可以达到对比例5的纸板强度性能，甚至可以达到更高的强度性能。但是对比例5的杂质溶出(即TOC和铵根离子浓度)明显高于实施例1～12，由此可见，本申请实施例1～12制备得到的纸板在未添加粘结剂的情况下既可以获得较好的性能优势，也能降低杂质的溶出情况。

根据对比例1～4与实施例1～12的纸板性能进行比较可以看出，本申请中对于纸板原料纤维的选择至关重用，尤其是第一帚化纤维和第二帚化纤维两者的帚化程度，过大过小均无法达到要求，会出现纸板湿强度变低，通量降低等问题。其次，根据实施例1-1、1-2、1-3、对比例1-4、对比例1-5的纸板性能可以看出，第一帚化纤维和第二帚化纤维的用量比例也对纸板的性能具有一定程度的影响。

实施例13

一种深层过滤纸板的制备方法，包括以下步骤：

S1：打浆，从聚丙烯腈纤维原料中选取打浆度为20°SR，纤维湿重为1.9g，浆料保留率为95％的第一帚化纤维与水混合搅拌分散得到3wt％的第一帚化纤维浆料；从聚丙烯腈纤维中选取40°SR，纤维湿重为1.6g，浆料保留率为81％的第二帚化纤维与水混合打浆得到2wt％的第二帚化纤维浆料；从聚丙烯腈纤维中选取52°SR，纤维湿重为1.34g，浆料保留率为66％的第二帚化纤维与水混合打浆得到1wt％的第二帚化纤维浆料；

其中，第一帚化纤维、第二帚化纤维、第三帚化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：第一帚化纤维58wt％，第二帚化纤维18wt％，二氧化硅助滤剂24wt％。二氧化硅助滤剂的BET比表面积为300m²/g，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。

实施例14～17与实施例13的区别在于，对第一帚化纤维和第二帚化纤维的选择参数不同以及第一、二、三帚化纤维含量比例不同，如表3所示。

表3

实施例13～17制备得到的深层过滤纸板的湿耐破度、干耐破度、通量、TOC值、冲洗液中铵根离子浓度、纸板精度的数据如表4所示。

表4

通过表3和表4的数据可以看出，采用第一帚化纤维、第二帚化纤维和第三帚化纤维三种不同帚化程度聚丙烯腈纤维进行搭配可以制备得到强度更好、通量更高的深层过滤纸板。但是，第一帚化纤维、第二帚化纤维和第三帚化纤维含量比例需要控制在本申请的范围内时，方可制备得到性能更加优异的纸板，否则容易出现通量反而降低等问题。

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2∶1，实施例20的纤维总质量与助滤剂质量比为3.3∶1，实施例21的纤维总质量与助滤剂质量比为4∶1。

实施例18～21制备得到的深层过滤纸板的湿耐破度、干耐破度、通量、TOC值、冲洗液中铵根离子浓度、纸板精度的数据如表5所示。

表5

表5的数据说明纤维总含量和助滤剂含量的比例，对深层过滤纸板的各项性能有一定的影响，满足本申请的纤维质量与助滤剂质量比范围时，纸板的强度和通量能够处于较优的水平，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

一种深层过滤纸板的制备方法，包括以下步骤：

S1：打浆，从聚丙烯腈纤维原料中选取打浆度为20°SR，纤维湿重为1.9g的第一帚化纤维与水混合搅拌分散得到4wt％的第一帚化纤维浆料；从聚丙烯腈纤维中选取40°SR，纤维湿重为1.6g的第二帚化纤维与水混合打浆得到1wt％的第二帚化纤维浆料；

其中，第一帚化纤维和第二帚化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：第一帚化纤维58wt％，第二帚化纤维18wt％，二氧化硅助滤剂24wt％。二氧化硅助滤剂的BET比表面积为300m²/g，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-80kpa，抽真空时间为总真空抽吸时间的10％；浆料投入量为20％；

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

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

其中，总真空抽吸时间为10min。

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22～35相互之间的区别在于，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纸板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：

将深层过滤纸板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。

实施例23～28与实施例22的区别在于上中下层中助滤剂含量的比例不同，紧度相差不大，如表6-1所示。

实施例23～28制备得到的深层过滤纸板的湿耐破度、干耐破度、通量、TOC值、冲洗液中铵根离子浓度、纸板精度的数据如表6-2所示。

表6-1

表6-2

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，纸板的通量性能可以进一步得到有效提高。

实施例29～35与实施例22的区别在于上、中、下层中纤维和助滤剂的比值之比不同，如表7-1所示。

实施例29～35制备得到的深层过滤纸板的湿耐破度、干耐破度、通量、TOC值、冲洗液中铵根离子浓度、纸板精度的数据如表7-2所示。

表7-1

实施例	上、中、下层中纤维和助滤剂的比值之比
		实施例29	1∶0.3∶0.1
实施例30	1∶0.3∶0.13
		实施例31	1∶0.35∶0.14
实施例32	1∶0.41∶0.15
		实施例33	1∶0.74∶0.2
实施例34	1∶0.5∶0.01
		实施例35	1∶2∶6

表7-2

通过表7-1和7-2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效果，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。

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纸板上中下三层的紧度不同，如表8-1所示。

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。

实施例36～41制备得到的深层过滤纸板的湿耐破度、干耐破度、通量、TOC值、冲洗液中铵根离子浓度、纸板精度的数据如表8-2所示。

表8-1

表8-2

通过表6-1和6-2的数据可以看出，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纸板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，如表9-1所示。

实施例42～50制备得到的深层过滤纸板的湿耐破度、干耐破度、通量、TOC值、冲洗液中铵根离子浓度、纸板精度的数据如表9-2所示。

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9-1

实施例	IvIg蛋白吸附量(％)	进液面接触角(°)	出液面接触角(°)
				实施例42	5	32	42
实施例43	12	36	44
				实施例44	16	48	55
实施例45	22	42	47
				实施例46	27	46	53
实施例47	33	37	56
				实施例48	38	35	59
实施例49	40	33	54
				实施例50	3	30	43

表9-2

通过表9-1和9-2的数据可以看出，深层过滤纸板整体的IvIg蛋白吸附量可反映深层过滤纸板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9-2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，疏水程度提高可以提高纸板的通量，可能是由于在成型过程中纤维之间不会发生过于贴合而导致纸板内致密区域的出现。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。

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 (19)

1.一种深层过滤纸板，其特征在于，包括聚丙烯腈纤维和二氧化硅助滤剂，且不含粘结剂；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，

所述聚丙烯腈纤维包括第一帚化纤维和第二帚化纤维；

所述第一帚化纤维和第二帚化纤维相互缠绕形成骨架结构，所述二氧化硅助滤剂分散在骨架结构的间隙内；

所述第一帚化纤维和第二帚化纤维的打浆度之比为1∶1.5～3；

所述第一帚化纤维和第二帚化纤维的纤维湿重之比为1∶0.3～1；

所述第一帚化纤维经分散后的打浆度为20～25°SR；

所述第一帚化纤维和第二帚化纤维的质量比为1∶1.2～4.5。

2.根据权利要求1所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述第一帚化纤维的浆料保留率为90～95％，所述第二帚化纤维的浆料保留率为60～85％，所述浆料保留率是指纤维湿重测试过程中截留在框架上的纤维烘干后的质量m₁与第一帚化纤维绝干质量m₂的比值。

3.根据权利要求2所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述聚丙烯腈纤维还包括有第三帚化纤维，所述第一帚化纤维的打浆度、第二帚化纤维的打浆度和第三帚化纤维的打浆度之比为1∶1.5～2.5∶2～3，质量比为1∶1.2～4.5∶2～4。

4.根据权利要求3所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述第二帚化纤维的浆料保留率为75～85％，所述第三帚化纤维的浆料保留率为60～75％。

5.根据权利要求1所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述二氧化硅助滤剂的BET比表面积为200～500m²/g，所述二氧化硅助滤剂的D₅₀粒径为5～30μm。

6.根据权利要求1所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板的紧度为0.1～0.4g/cm³。

7.根据权利要求6所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板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t₁，中层的紧度为t₂，下层的紧度为t₃，且t₁、t₂、t₃依次增大，t₁∶t₂∶t₃＝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纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板中聚丙烯腈纤维和助滤剂的质量比为0.8～3.5∶1。

9.根据权利要求8所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板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。

10.根据权利要求9所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板沿厚度方向自进液面向出液面等分为三层，依次为上层、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∶k₂∶k₃＝1∶0.1～0.5∶0.02～0.15。

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

12.根据权利要求11所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板的进液面的接触角为30～50°，出液面的接触角为40～60°。

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

14.根据权利要求1所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述深层过滤纸板用超纯水源以10L/min/m²流速进行冲洗600L/m²后，冲洗水中的总有机碳值低于0.2ppm。

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

S1：打浆，选取聚丙烯腈纤维与水混合打浆得到打浆度为20～25°SR的第一帚化纤维浆料；选取聚丙烯腈纤维与水混合打浆得到打浆度为30～75°SR的第二帚化纤维浆料；

S2：混合，将第一帚化纤维浆料和第二帚化纤维浆料混合，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；控制真空抽吸的真空度为-40～-100kpa；

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纸板，其特征在于，所述二氧化硅助滤剂的BET比表面积为200～500m²/g，所述二氧化硅助滤剂的D₅₀粒径为5～30μm。

17.根据权利要求15所述的一种深层过滤纸板，其特征在于，所述聚丙烯腈纤维经过亲水表面活性剂处理，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。

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

19.根据权利要求15所述的一种深层过滤纸板，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％。