CN214680556U

CN214680556U - 一种梯度过滤无纺布以及由其组成的滤芯

Info

Publication number: CN214680556U
Application number: CN202023267849.5U
Authority: CN
Inventors: 吴佳骏
Original assignee: Mann and Hummel Filter Shanghai Co Ltd
Current assignee: Mann and Hummel Filter Shanghai Co Ltd
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2030-12-30

Abstract

本实用新型涉及一种梯度过滤无纺布以及由其组成的滤芯，其特征在于，梯度过滤无纺布包括不同直径纤维构成的支撑层（S）、过滤层（F）和纳米纤维高效过滤层（N），所述的支撑层（S）中纤维直径最大，所述的纳米纤维高效过滤层（N）中纤维直径最小，所述的支撑层（S）、过滤层（F）和纳米纤维高效过滤层（N）按不同方式复合，使过滤无纺布沿垂直于无纺布平面的方向呈单向梯度过滤结构、双向梯度过滤结构或循环梯度过滤结构。与现有技术相比，本实用新型沿垂直于无纺布平面的方向实现纤维间孔径不同的梯度分布形式，对不同粒径颗粒物实现高效的分层过滤。

Description

一种梯度过滤无纺布以及由其组成的滤芯

技术领域

本实用新型涉及空气过滤技术领域，具体涉及一种梯度过滤无纺布以及由其组成的滤芯。

背景技术

常见的空气颗粒物过滤材料以无纺布纤维材料为主，主要用于捕获空气中的粉尘、毛发、花粉等，用来评价过滤性能的主要参数有过滤效率、滤阻、容尘量等，这三者也是衡量一款滤材/滤芯最基本的参数，但往往三者不能同时取得较好的性能，滤效高通常伴随着滤阻高、容尘量低等问题。

发明专利CN108796823B公开了一种高效低阻微纳米纤维微观梯度结构过滤材料及其制备方法，过滤材料包括纳米精细过滤层(A)、微米支撑初级过滤层(B)和保护面层(C)，微米支撑初级过滤层和纳米精细过滤层交互叠加，设置在两层保护面层之间。纳米精细过滤层具有网格结构，由平面基体纤维层和锥体结构组成，其中锥体结构的尖端与网格基体纤维层间的纤维形成沿尖端和平面基体纤维层的取向结构。该发明过滤材料能够减低过滤阻力，延长滤材的使用寿命，且空气通过微米纤维层初级过滤，纳米纤维层精细过滤，达到了高过滤效果，无纺布面层提供芯层滤材的支撑保护，提高其力学性能。但是，该发明需要定制特殊形状的接收板，在纳米纤维收集过程中依据接收板的形状来形成纳米精细过滤层的立体结构，不利于实际连续量产制备，成本较高；具有立体结构纳米精细过滤层的梯度过滤材料较厚较蓬松，不利于在打褶后形成褶型稳定的滤芯；且保护层和微米支撑初级过滤层只能过滤较大粒径的颗粒物，小粒径颗粒物大部分由纳米纤维精细过滤层来过滤，造成该层纤维间孔隙容易被堵塞使得容尘量降低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种梯度过滤无纺布以及由其组成的滤芯，沿垂直于无纺布平面的方向实现纤维间孔径不同的梯度分布形式，对不同粒径颗粒物实现分层过滤。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种梯度过滤无纺布，包括不同直径纤维构成的支撑层、过滤层和纳米纤维高效过滤层，所述的支撑层中纤维直径最大，所述的纳米纤维高效过滤层中纤维直径最小，所述的支撑层、过滤层和纳米纤维高效过滤层按不同方式复合，使过滤无纺布沿垂直于无纺布平面的方向呈单向梯度过滤结构、双向梯度过滤结构或循环梯度过滤结构。

进一步地，所述的支撑层中纤维直径为10～100μm，过滤层中纤维直径为1～10μm，纳米纤维高效过滤层中纤维直径为0.1～1μm。

支撑层中的纤维直径在在特殊工艺条件下可以达到3～300μm左右，可以将可溶性的聚合物颗粒溶解在溶剂中或熔融后，通过干法纺丝、湿法纺丝或熔体纺丝得到纤维；过滤层中的纤维直径在在特殊工艺条件下可以达到0.3～30μm左右，可以将可溶性的聚合物颗粒溶解在溶剂中或熔融后，通过干法纺丝、干湿法纺丝或熔体纺丝得到纤维；纳米纤维高效过滤层中的纤维直径在在特殊工艺条件下可以达到0.01～3μm左右，可以将可溶性的聚合物颗粒溶解在溶剂中或熔融后，通过静电纺丝、海岛纤维纺丝或离心纺丝得到纤维。

支撑层、过滤层和纳米纤维高效过滤层中的纤维可以为有机纤维材料或无机纤维材料构成，有机纤维材料包括PET、PE、PP、PI、CA、PS、PLA、PSI、PEO、PA、PU、PVA、PTFE、PVDF、PAN、纤维素等，无机纤维材料包括Cu、Fe、ZnO、TiO₂、SiO₂、Al₂O₃纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维等。

进一步地，所述的支撑层、过滤层和纳米纤维高效过滤层依次复合，沿垂直于无纺布平面的方向纤维逐渐变细，纤维间的连通孔隙由大变小，过滤无纺布呈单向梯度过滤结构。所述的梯度过滤无纺布迎面进气层一般为支撑层，纤维较粗，起到滤网支撑作用；其次为过滤层，过滤层中的微米级纤维主要捕获微米级的颗粒物；最后一层为纳米纤维高效过滤层，可以过滤极小的颗粒物(＜0.5μm)。该结构可以有效分离气体中的颗粒物，且大颗粒物优先在支撑层和过滤层被拦截下来，小颗粒物在穿透支撑层和过滤层后在纳米纤维高效过滤层由于布朗扩散效应被拦截下来，可以高效过滤不同粒径分布范围的颗粒物。

所述的支撑层、过滤层和纳米纤维高效过滤层的复合方式使得沿垂直于无纺布平面的方向纤维逐渐变细再变粗，纤维间的连通孔隙由大变小之后再变大，过滤无纺布呈双向梯度过滤结构。梯度过滤无纺布的剖面为准对称结构，可以由S+F+N+F+S、F+N+F、S+F₁+F₂+N+F₁+F₂+S、F+N₂+N₁+N₂+F、S+F+N+F₁+F₂、S+F₂+F₁+F₂+S、S+F₂+F₁+F₃、S+N₁+N₂或S+N+F层复合组成，其中S代表支撑层，F代表过滤层，N代表纳米纤维高效过滤层，下标“1”、“2”、“3”为不同直径分布范围的纤维网，且数字越大纤维平均直径越大，不限于上述列举的形式，关键在于沿垂直于滤材平面的方向存在平均连通孔隙由大变小再变大的滤材结构。该结构可以保护中间精细过滤层，防止较薄的中间精细过滤层在加工制作滤芯过程中被破坏，且双向梯度过滤的结构可以轻易地在滤材两侧最外层赋予两种以上不同的功能，如抗菌、抗病毒、抗过敏、阻燃、染色等。功能的赋予只需在支撑层上加入抗菌剂、阻燃剂、染料等助剂。单向梯度过滤结构不能轻易赋予多种功能，纳米精细过滤层加入上述助剂可能无法得到纳米纤维，且影响其过滤效滤，所以一般只在最外侧支撑层上赋予功能；不同功能如阻燃和染色，需经过两道工序完成，而两道工序加到同一过滤层纤维上会相互影响，如先染色再加浸渍阻燃，会造成染色牢度下降；若先浸渍阻燃再染色，会造成阻燃效果打折扣。

所述的支撑层、过滤层和纳米纤维高效过滤层的复合方式使得沿垂直于无纺布平面的方向中间层具有多个纤维逐渐变细再变粗的循环结构，纤维间的连通孔隙相应有多个由小变大的循环结构，位于中间层两侧的纤维直径大于中间层中循环结构的纤维直径，过滤无纺布呈循环梯度过滤结构。过滤网纤维层剖面为多层循环结构，即存在滤材的n层复合结构中，至少n-2层(n≥6)有循环结构，如S₁+N₁+N₂+N₁+N₂+N₁+N₂+S₂层组成，其中S代表支撑层，F代表过滤层，N代表纳米纤维高效过滤层，下标“1”、“2”、“3”为不同直径分布范围的纤维网，且数字越大纤维平均直径越大，中间存在2层(N₁+N₂)重复出现了3次。从理论上来讲，过滤材料的纤维孔隙从微观层面来看是三维空间中的连通孔，纤维直径分布均匀的过滤层结构较为致密，连通孔的孔径分布大致类似，加入不同直径分布的过滤层之后，由这种循环结构形成的多孔径分布连通孔，有利于深层过滤，相对于单一直径分布致密结构的表面过滤，循环梯度结构的滤材有利于深层过滤，该结构用于高效精细过滤气体中的颗粒物，成本较高。

所述的支撑层、过滤层或纳米纤维高效过滤层中的纤维具有孔洞结构或异型结构。在梯度过滤的基础上，增加纤维的比表面积可有效增加纤维与气体中颗粒物的作用面，因此，支撑层或过滤层纤维上赋予孔洞结构或异型表面可有效增加纤维的比表面积，在支撑层或过滤层上也可过滤掉部分极细小的颗粒物，不仅大大提高了过滤效率，容尘量也会大大增加。纤维表面孔洞或异型结构优选的在支撑层、过滤层赋予，或两层同时赋予。

纤维表面的孔洞结构可依据实际需求调节，纤维比表面积比光滑纤维表面提高10％～10000％；纤维表面的异型结构可依据实际需求调节，纤维比表面积比光滑纤维表面提高10％～1000％。

纤维表面孔洞或异型结构的赋予方式有多种，视不同纤维材料而定。可选择双组分纤维，若两种纤维的溶解性能不同，混合两种不同的母粒，在混合纺丝后将纤维网在只能溶解某一纤维的溶剂中将其中一种组分溶解掉留下另一种组分，形成表面异型或孔洞结构；或将无机盐溶液加入到有机纤维溶液中，形成混合相纺丝液后利用高温将有机相去除，留下无机相纤维。也可利用两相或多相溶剂体系，其中存在一种或多种高速挥发的溶剂相，如丙酮、醋酸甲酯、二氯甲烷、正己烷、二氯乙烷、环己烷中的一种或多种，溶剂快速挥发后在纤维表面留下孔洞；或在纺丝形成滤网后利用表面刻蚀、溶剂喷涂等方式在纤维表面形成异型结构。本实用新型只需在纺丝液中加入特定溶剂，或特定的后处理即可在纤维表面形成孔洞或异型结构，且支撑层和过滤层纤维表面的孔洞或异性结构增加了材料的比表面积，对小粒径颗粒物的也能实现有效过滤，提高滤材的容尘量和使用寿命。

所述的支撑层、过滤层和纳米纤维高效过滤层中的纤维经驻极处理，纤维表面带有电荷。在复合纤维网中通过静电驻极、电晕驻极、摩擦起电驻极、热极化驻极、低能电子束轰击驻极等方式增加复合纤维网对颗粒物的静电吸附作用，可以进一步提高初始过滤效率、降低压降。

所述的过滤无纺布厚度为20～3000μm，单位面积克重为50～500g/m²。

所述的支撑层、过滤层和纳米纤维高效过滤层之间通过喷胶粘合、超声波粘合或者热轧粘合。粘合工艺的选取，可依据不同材料的特性及终端使用而定。

一种滤芯，由上述的梯度过滤无纺布组成，所述的滤芯呈褶型、袋式或平板型。该滤芯可以应用在多种不同的领域，如水过滤、油过滤或空气过滤，优选地在空气颗粒物过滤中应用。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1.本实用新型从滤材结构层面来设计一种梯度过滤复合材料，通过具有不同纤维直径的支撑层、过滤层和纳米纤维高效过滤层的复合，沿垂直于过滤无纺布平面的方向实现纤维间孔径单向梯度、双向梯度或循环梯度分布，单向梯度过滤材料节省了原材料成本，双向梯度过滤材料可以轻易地在滤材两侧最外层赋予两种以上不同的功能，循环梯度过滤材料有利于深层过滤，使过滤无纺布满足不同应用需求；

2.本实用新型表面带孔洞或异型纤维的纤维层可增加纤维比表面积，同时也能过滤部分细小颗粒物，这使得细小颗粒物的去除不完全依赖纳米纤维高效过滤层，降低过滤阻力并增加使用寿命；

3.本实用新型梯度过滤无纺布经过打折、复合、组合等方式制成滤芯后可在对过滤效率要求极为严格的场景中应用。

附图说明

图1为实施例1的单向梯度过滤无纺布的结构示意图；

图2为实施例1的单向梯度过滤无纺布的扫描电镜图；

图3为实施例1的单向梯度过滤无纺布组成的滤芯的结构示意图；

图4为实施例2的双向梯度过滤无纺布的结构示意图；

图5为实施例3的循环梯度过滤无纺布的结构示意图；

图6为实施例4的支撑层和纳米纤维高效过滤层的复合结构扫描电镜图；

图中：S-支撑层，F-过滤层，N-纳米纤维高效过滤层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种梯度过滤无纺布，如图1所示，由支撑层S、过滤层F和纳米纤维高效过滤层N依次复合，沿垂直于无纺布平面的方向纤维逐渐变细，纤维间的连通孔隙由大变小，过滤无纺布呈单向梯度过滤结构。支撑层S通过溶剂纺丝将CA溶解于丙酮/二氯甲烷溶剂体系(1:5v/v)，通过干法纺丝得到，丙酮和二氯甲烷快速挥发在纤维表面形成孔洞；过滤层F利用PP+PVA熔喷，形成双组分纤维；纳米纤维高效过滤层N将PA溶解于甲酸和乙酸的混合溶剂(1:1v/v)中，利用静电纺丝法得到纳米纤维。支撑层S、过滤层F和纳米纤维高效过滤层N之间通过热轧粘合，将得到的复合纤维网在水中泡1h，去除过滤层F中的PVA，形成支撑层S、过滤层F带孔洞的单向梯度过滤无纺布，厚度为0.19～0.26mm，其扫描电镜图如图2所示。

如图3所示，将该单向梯度过滤无纺布打折，形成褶型滤芯，将该褶型滤芯应用于过滤空气颗粒物，在0.2m/s风速下对中值粒径为0.26μm的NaCl气溶胶过滤效率为95.7～98.1％，在0.23m/s风速下的滤阻为58～60Pa，对ISO 12103-1 A2灰+200Pa的容尘量为2.6～4.0g/m²，能够有效实现空气过滤的目的。

实施例2

一种梯度过滤无纺布，如图4所示，由支撑层S、过滤层F、纳米纤维高效过滤层N、过滤层F和支撑层S依次复合而成，其余结构与实施例1相同，沿垂直于无纺布平面的方向纤维逐渐变细再变粗，纤维间的连通孔隙由大变小之后再变大，过滤无纺布呈双向梯度过滤结构，厚度为1.15～1.30mm。将该双向梯度过滤无纺布打折，形成褶型滤芯，将该褶型滤芯应用于过滤空气颗粒物，在0.2m/s风速下对中值粒径为0.26μm的NaCl气溶胶过滤效率为95.1～98.2％，在0.23m/s风速下的滤阻为75-77Pa，对ISO 12103-1 A2灰+200Pa的容尘量为15.5～18.5g/m²，该双向梯度过滤滤材可两面进气，且在滤芯加工过程中的保护中间纳米纤维层不受破坏。

实施例3

一种梯度过滤无纺布，如图5所示，由纤维直径较大的支撑层S、纤维直径相对较小的纳米纤维高效过滤层N₁、纤维直径相对较大的纳米纤维高效过滤层N₂、纤维直径相对较小的纳米纤维高效过滤层N₁、纤维直径相对较大的纳米纤维高效过滤层N₂、纤维直径相对较小的纳米纤维高效过滤层N₁、纤维直径相对较大的纳米纤维高效过滤层N₂和纤维直径较大的支撑层S依次复合而成，其中，纤维直径较大的支撑层S中纤维直径范围为50～100μm，纤维直径相对较小的纳米纤维高效过滤层N₁中纤维直径范围为0.1～0.3μm，纤维直径相对较大的纳米纤维高效过滤层N₂中纤维直径范围为0.5～1.0μm，纤维直径较大的支撑层S中纤维直径范围为50～100μm，过滤无纺布厚度为2.5～2.8mm，呈循环梯度过滤结构。一侧的S层纤维浸渍活性染料M-2GE染色，另一侧的S层纤维用季铵盐类有机抗菌剂接枝，滤材呈蓝色，为带抗菌功能的循环梯度过滤材料。

将该循环梯度过滤无纺布制成平板型滤芯，用于过滤空气颗粒物，在0.12m/s风速下对中值粒径为0.26μm的NaCl气溶胶过滤效率为99.2～99.99％，在0.21m/s风速下的滤阻为102～112Pa，对ISO 12103-1 A4灰+200Pa的容尘量为35～48g/m²。

实施例4

一种梯度过滤无纺布，其中支撑层S为PLA+咪唑烷基沸石纤维层，将两者在氯仿中溶解后，通过干法纺丝后得到纤维网，在300℃下将PLA分解，形成纤维表面带孔洞的无机纤维层，然后在支撑层S上用静电纺PAN纳米纤维高效过滤层N，得到的支撑层S和纳米纤维高效过滤层N复合材料的扫描电镜图如图6所示。

将该单向梯度过滤无纺布组成袋式滤芯，将该袋式滤芯应用于过滤空气颗粒物，在0.12m/s风速下对1μm ISO 12103-1 A2灰的过滤效率为96.4～97.5％，在0.22m/s风速下的滤阻为57～64Pa，对ISO 12103-1 A2灰+200Pa的容尘量为28～34g/m²，该单向梯度无机过滤材料组成的滤芯的尺寸稳定性较好。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种梯度过滤无纺布，其特征在于，包括不同直径纤维构成的支撑层（S）、过滤层（F）和纳米纤维高效过滤层（N），所述的支撑层（S）中纤维直径最大，所述的纳米纤维高效过滤层（N）中纤维直径最小，所述的支撑层（S）、过滤层（F）和纳米纤维高效过滤层（N）按不同方式复合，使过滤无纺布沿垂直于无纺布平面的方向呈单向梯度过滤结构、双向梯度过滤结构或循环梯度过滤结构。

2.根据权利要求1所述的梯度过滤无纺布，其特征在于，所述的支撑层（S）中纤维直径为10~100μm，过滤层（F）中纤维直径为1~10μm，纳米纤维高效过滤层（N）中纤维直径为0.1~1μm。

3.根据权利要求1所述的梯度过滤无纺布，其特征在于，所述的支撑层（S）、过滤层（F）和纳米纤维高效过滤层（N）依次复合，沿垂直于无纺布平面的方向纤维逐渐变细，纤维间的连通孔隙由大变小，过滤无纺布呈单向梯度过滤结构。

4.根据权利要求1所述的梯度过滤无纺布，其特征在于，所述的支撑层（S）、过滤层（F）和纳米纤维高效过滤层（N）的复合方式使得沿垂直于无纺布平面的方向纤维逐渐变细再变粗，纤维间的连通孔隙由大变小之后再变大，过滤无纺布呈双向梯度过滤结构。

5.根据权利要求1所述的梯度过滤无纺布，其特征在于，所述的支撑层（S）、过滤层（F）和纳米纤维高效过滤层（N）的复合方式使得沿垂直于无纺布平面的方向中间层具有多个纤维逐渐变细再变粗的循环结构，纤维间的连通孔隙相应有多个由小变大的循环结构，位于中间层两侧的纤维直径大于中间层中循环结构的纤维直径，过滤无纺布呈循环梯度过滤结构。

6.根据权利要求1所述的梯度过滤无纺布，其特征在于，所述的支撑层（S）、过滤层（F）或纳米纤维高效过滤层（N）中的纤维具有孔洞结构或异型结构。

7.根据权利要求1所述的梯度过滤无纺布，其特征在于，所述的支撑层（S）、过滤层（F）和纳米纤维高效过滤层（N）中的纤维经驻极处理，纤维表面带有电荷。

8.根据权利要求1所述的梯度过滤无纺布，其特征在于，所述的过滤无纺布厚度为20~3000μm，单位面积克重为50~500g/m²。

9.根据权利要求1所述的梯度过滤无纺布，其特征在于，所述的支撑层（S）、过滤层（F）和纳米纤维高效过滤层（N）之间通过喷胶粘合、超声波粘合或者热轧粘合。

10.一种滤芯，其特征在于，所述的滤芯由权利要求1~9任一项所述的梯度过滤无纺布组成，所述的滤芯呈褶型、袋式或平板型。