CN216223329U - 纳米纤维滤材 - Google Patents

Abstract

本申请属于过滤材料技术领域，具体涉及一种纳米纤维滤材，包括：过滤基材层以及采用纺丝液通过静电纺丝的方法制备的纳米纤维层，所述过滤基材层和所述纳米纤维层之间、或所述纳米纤维层之间形成有高分子材料斑块层。本实用新型的纳米纤维滤材在过滤基材层与纳米纤维层之间通过高分子材料斑块实现粘合，高分子材料斑块起到粘连作用，使纳米纤维在全寿命脉冲反吹气流清洗过程中和使用过程中不易脱落。

Description

纳米纤维滤材

技术领域

本实用新型属于过滤材料技术领域，具体涉及一种纳米纤维滤材。

背景技术

普通滤材(例如滤纸、无纺布、熔喷布、活性炭和玻璃纤维等，以及他们的按层复合滤材)的纤维直径大多大于1微米，从而导致难以满足高过滤标准的要求，例如EN779的F9等级等。

当今产业界正在摸索使用静电纺丝的方法：在基材上通过使用高压静电场将聚合物溶液牵引批量拉丝等方式形成纤维覆膜的方式从而提高普通滤材的各项指标，如过滤效率、阻力压降、容尘量、使用寿命等。

然而，使用静电纺丝在基材上直接纺丝的方法，现有技术存在产量小、效率低、成本高、连续性和贴合性差并且膜表面疏水效果不明显的问题，实用性较差。

纺丝纤维由固态直接沉积在基材上，会有纺丝纤维之间、纺丝纤维与基材之间粘合不紧密的问题，部分纺丝膜的纺丝纤维之间空隙较大，降低纳米纤维复合滤材的过滤效率及使用寿命，不紧密的纳米纤维膜在外力的作用下易脱落造成纺丝面不均匀，影响整体的使用。

大多数纳米纤维复合滤材，在全寿命脉冲反吹气流清洗过程中都出现不同程度的纳米纤维膜脱落的现象，从而循环反吹后，过滤效率和容尘量不断下降。利用溶剂蒸汽使纺丝纤维间产生粘连的技术方案在高压电场下存在安全问题，其实现耐磨、抗剥离的方法具有很大的安全隐患，且工业量产难度大，生产工序繁杂，生产成本高。另外，在基材表面直接喷涂粘性珠粒的方法，无法满足纺丝纤维之间稳固结合的要求。

因此，亟需提供一种耐反吹、不易脱落且易于工业生产的纳米纤维滤材。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种纳米纤维滤材。该纳米纤维滤材通过高分子材料小斑块来提高利用静电场产生的纳米纺丝纤维与过滤基材之间的粘合力，使其具有优异的耐反吹性能。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种纳米纤维滤材，包括：过滤基材层以及采用纺丝液通过静电纺丝的方法制备的纳米纤维层，所述过滤基材层和所述纳米纤维层之间、或所述纳米纤维层之间设有高分子材料斑块层。

优选地，所述纳米纤维层的聚合纤维由高压静电场将聚合物溶液牵引批量拉丝形成、或由高压气流将聚合物溶液鼓吹批量拉丝形成、或由高压静电场将熔融态聚合物或单质牵引批量拉丝形成。

优选地，所述纳米纤维层为多层纳米纤维层复合而成，相邻纳米纤维层的聚合纤维的直径不同。

优选地，所述纳米纤维层由纺丝时间间隔小于10分钟的不同电极纺丝形成。

优选地，所述纳米纤维层为由相同纺丝液制备的聚合纤维直径尺寸不同的纳米纤维层；或所述纳米纤维层为由不同纺丝液制备的聚合纤维直径尺寸相同的纳米纤维层；或纳米纤维层为由不同纺丝液制备的聚合纤维直径尺寸不同的纳米纤维层。

优选地，所述高分子材料斑块层由高分子聚合物溶液或熔融态高分子材料通过高压喷溅液滴的方法形成。

优选地，所述高分子材料斑块的最小直径大于所述纳米纤维的聚合纤维的直径，且最大直径小于10微米；优选地，所述高分子材料斑块的平均直径为2-3.5微米。

优选地，所述过滤基材层包括滤纸、无纺布、熔喷布、活性炭或玻璃纤维。

优选地，所述纳米纤维层上还设有微米纤维层。

与现有技术相比，本实用新型的突出的有益效果在于：

本实用新型的纳米纤维滤材在过滤基材层与纳米纤维层之间形成有高分子材料斑块层，高分子材料小斑块起到粘连作用，使纳米纤维与过滤基材之间连接紧密，纳米纤维丝在全寿命脉冲反吹气流清洗过程中和使用过程中不易脱落。稳固的纳米纤维层可以提高滤材的效率和使用寿命，保证过滤基材上的纳米纤维层在使用过程中各部分不因纺丝纤维脱落而造成滤材各部分效率不均匀而降低使用效果。

本实用新型的纳米纤维滤材的高分子小斑块通过高压喷溅纳米级或微米级液滴形成在所述过滤基材层上的，相同的纺丝环境避免了高压电场造成的安全隐患。

本实用新型的纳米纤维滤材设计合理、生产工序简单、成本低，具有较好的应用前景。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为根据本实用新型的一种实施例中纳米纤维滤材的结构示意图

具体实施方式

以下通过具体的实施例进一步说明本实用新型的技术方案，具体实施例不代表对本实用新型保护范围的限制。其他人根据本实用新型理念所做出的一些非本质的修改和调整仍属于本实用新型的保护范围。

如图1示出的，本实用新型实施例提供的一种纳米纤维滤材，包括过滤基材层1以及纳米纤维层3，其中，纳米纤维层采用纺丝液通过静电纺丝的方法制备，其中，纳米纤维层的聚合纤维的直径小于等于1微米，纳米纤维层为一层或多层纳米纤维层复合而成。相邻纳米纤维层的聚合纤维的直径不同，优选地，相邻纳米纤维层的聚合纤维的直径不同具有明显差别。纳米纤维层的聚合纤维的产生方式包括使用高压静电场将聚合物溶液牵引批量拉丝形成、通过高压气流将聚合物溶液鼓吹批量拉丝形成、通过使用高压静电场将熔融态聚合物或单质牵引批量拉丝形成。在多遍静电纺丝过程中，对于衬底上同一位置任意接收不同电极所纺纤维丝前后时间间隔小于10分钟。

纳米纤维层为由相同纺丝液制备的聚合纤维直径尺寸不同的纳米纤维层；可选择地，纳米纤维层为由不同纺丝液制备的聚合纤维直径尺寸相同的纳米纤维层；可选择地，纳米纤维层为由不同纺丝液制备的聚合纤维直径尺寸不同的纳米纤维层。

过滤基材层1和所述纳米纤维层2之间形成有高分子材料斑块层2；可选择地，纳米纤维层之间设有高分子材料斑块层。本实施例提供的纳米纤维滤材为复合过滤材料结构，具体地包括从下而上设置的过滤基材层、高分子材料斑块层和纳米纤维层。高分子斑块层和纳米纤维层的层数可以根据需要进行选择，层数的选择是根据对最终过滤材料过滤性能的需要而控制的。

其中，高分子材料斑块为纳米或微米级结构，进一步地，高分子材料斑块的最小直径大于纳米纤维的直径，且最大直径小于10微米。优选地，高分子材料斑块的平均直径为2-3.5微米。高分子材料斑块起到粘连作用，使纳米纤维层1与过滤基材层3之间连接紧密，相较于现有技术，本实施例中的纳米纤维丝在全寿命脉冲反吹气流清洗过程中和使用过程中不易脱落。

可选择地，在纳米纤维层的上方设置粗纤维层，用于保护内层纳米纤维在外力清理过滤材料表面垃圾时不被损坏，最大程度保持过滤材料的使用效果。可以理解为，粗纤维层有粗过滤和保护下层纤维层的作用。其中粗纤维层由微米纤维形成。

本实施中增强纳米纤维层与过滤基材层之间附着力的方法是通过高分子材料斑块提高纳米纤维与过滤基材层之间的粘合力。其中高分子材料斑块是通过静电场吸引或拉伸高分子溶液并在溶剂挥发后形成，或者通过静电场吸引或拉伸熔融状态高分子材料形成。具体地，本实施例中采用聚合物溶液通过高压喷溅等方式将纳米或微米级液体喷溅至接收层表面。其中，配置高分子材料斑块的聚合物溶液可与纳米纤维静电纺丝溶液一致，也可以与纳米纤维静电纺丝溶液不一致。

纳米纤维与高分子材料斑块可同时形成，即在静电纺丝过程中在过滤基材表面同时沉积纳米纤维和高分子材料斑块。但是在同一设备单元中同时设置纺丝和喷溅，纺丝和喷溅设备交错排布，纺丝和喷溅装置之间间隔加大，可能会导致纺丝不均匀的情况出现；另一方面，在同一环境中，形成斑块与纺丝的产生高压要求不是最佳电压，进而影响斑块与纤维的质量；此外，高分子材料斑块为纳米或微米级，其溶剂蒸发速度小于纳米纤维，在同一纺丝单元中，基材传递速率一定，会出现斑块连通其溶剂粘合纳米纺丝纤维糊成一片的情况。

基于上述情况，本实施例优选纳米纤维与高分子材料斑块不同时形成，即在过滤基材表面上先进行喷涂形成斑块后再进行静电纺丝。在过滤基材上先形成斑块再静电纺丝，可控制斑块的分散度及范围，且不同纺丝单元可分别调节控制纳米纺丝纤维与斑块相应的电压数据，同时在斑块溶剂半干的最佳状态下进行静电纺丝。

配置静电纺丝溶液的聚合物和/或配置高分子材料斑块的聚合物溶液选自以下成分中的一种或至少两种的组合：聚丙乙烯、聚乙烯醇缩丁醛酯、聚氨酯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯呲络烷酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氯乙烯、聚氨基甲酸酯、聚乙内酯、聚乙二醇、聚乙酸乙烯酯、聚氧化乙烯、壳聚糖、水溶性壳聚糖、海藻酸钠、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳酰胺、聚苯并咪唑、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯、聚苯胺、聚环氧乙烷、聚萘二酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯基丁烯，醋酸(乙酸)纤维素、聚砜、聚醚砜、二醋酸纤维素，以及它们的共聚物或衍生物。

其中，静电纺丝溶液和/或高分子材料斑块的聚合物溶液还包括纺丝溶剂，纺丝溶剂包括四氯呋喃、THF、DMF、二氯甲烷、乙醇、三氯乙酸、甲酸、丙酮、酸酯、醋酸任意一种或至少两种的组合。

本实用新型提供的一种纳米纤维滤材的制备方法，包括：

先高压喷溅高分子材料液滴在过滤基材上形成斑块。具体包括，制备高分子聚合物溶液或熔融态高分子材料，通过高压喷溅设备将纳米或微米级液滴喷溅至过滤基材表面上。高分子材料斑块通过静电场吸引或拉伸高分子溶液并在溶剂挥发后形成，或者通过静电场吸引或拉伸熔融状态高分子材料形成。

再进行静电纺丝。具体包括，以形成有高分子材料斑块的过滤基材层为接受面，将制备好的纺丝液喷于其上形成静电纺丝纳米纤维层。

可选择地，在静电纺丝后，再依次喷溅高分子材料液滴形成斑块及进行静电纺丝，在过滤基材层上形成多层交替的高分子材料斑块层和纳米纺丝纤维层。

下面例举具体实施例，以验证本实用新型提供的纳米纤维滤材具有优异的耐反吹性能。

恒温恒湿车间，温度(30±2)℃，相对湿度(30±5)％，焓值(50±5)kJ，设备内空压(2.5±0.5)Pa。由于纳米网层在基材表面喷涂只有0.02g/m2左右，在实际应用过程中纳米纤维直径决定着纳米复合材料的综合性能。相同材料和工艺下制备的纳米纤维直径越粗纳米纤维网强度越好。纳米纤维直径越小滤材过滤效率越高。

选用聚偏氟乙烯、聚氨酯和氮氮-二甲基甲酰胺作为纺丝原料，采用TIS81030A和Phenom电镜Phenom fiber metric系统测试，纳米纤维直径集中在200nm内，阻力及过滤效率表现良好纳米纤维网面强度相对较低。当纳米纤维直径集中在350nm情况，阻力明显增大且过滤效率下降，纤维直径集中在250nm，纳米纤维复合滤材过滤效率、阻力参数良好，所以优选下面溶液配制方案。

实施例1

过滤基材层选用工业滤纸，在本申请其他实施方式中，过滤基材层还可以为无纺布、熔喷布、活性炭或玻璃纤维。纺丝溶液和高分子材料斑块的聚合物溶液均为含聚偏氟乙烯、聚氨酯和氮氮-二甲基甲酰胺的组合物，纳米纤维层由纺丝溶液通过静电纺丝制成，所述聚偏氟乙烯的重量份数为4份、所述聚氨酯的重量份数为2份、所述氮氮-二甲基甲酰胺的重量份数为50份，通过聚偏氟乙烯与聚氨酯之间的协同作用，在溶剂氮氮-二甲基甲酰胺的溶解下做成纺丝溶液，覆涂在基材上既能够增加基材本身的抗腐蚀性能，又能增加其强度，达到可以褶皱和揉搓的强度，通过纺丝技术覆盖在基材上，不影响滤纸本身的过滤效果。

本实施例中纳米纤维复合滤材的制备顺序为：

以上述的纺丝溶液作为基础液，调节设备高压电场强度，在高压电场的作用下，利用静电喷涂工艺，位于数千个喷头顶端处的溶液富集了大量电荷形成静电排斥力，纺丝溶液克服了聚合物溶液表面张力，在经过现高压电场的过程中电场力牵伸力和库仑力排斥力不断减小，可在收集端产生2～3.5μm的小斑块，进而形成斑块层。

静电纺丝步骤中，以形成有斑块层为接收面，将纺丝溶液喷于其上形成静电纺丝纳米纤维层，纳米纤维直径为250nm。

经过本申请技术方案生产的纳米过滤材料过滤效率为PM0.4，达到了90％以上的过滤效果，与现有的基材层上仅覆盖纳米纤维层的过滤材料过滤率无异，针对实施例中纳米纤维复合滤材的拉伸强度为2.6-3.01MPA，为基材层上仅覆盖纳米纤维层的过滤材料拉伸强度的5-10倍，所以本申请的纳米纤维层有效的增加了工业滤纸的拉伸强度，使基材能够在使用中进行清洗重复利用而不影响其过滤效果。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，在第一层纳米纤维层上再喷溅高分子材料液滴形成第二层高分子材料斑块层，之后再进行静电纺丝，在第二层高分子材料斑块层上形成第二层纳米纤维层。

两种纳米纤维层分别选择阻力及过滤效率表现良好纳米纤维网面强度相对较低及阻力明显增大且过滤效率下降纳米纤维网面强度相对较高的纳米纤维，在两层纳米纤维中间和(或)纳米纤维与基材之间喷溅高分子材料液滴。

对比例1

与实施例1的不同之处在于：仅包括过滤基材层以及纳米纤维层。

对比例2

与实施例2的不同之处在于：仅包括过滤基材层以及第一和第二纳米纤维层。

性能测试：

耐反吹测试项目使用测试仪器：TEXTEST FX3300透气性测试仪、Phenom Pro电镜、Phenom fiber metric系统、TSI 8130A过滤效率测试仪、博裕8100脉冲反吹测试台。

制备的复合滤材的耐反吹性能，阻力压降95pa(EN779-2012)，反吹气压为3～6kg，反吹面积为50cm2，反吹次数为1000次。

表1实施例1-2与对比例1-2的复合滤材的测试结果

根据表1的耐反吹数据可以发现，对比例1制备的滤材，在反吹气压为4KG的情况下，反吹过后的过滤效率出现了明显下降，且随着反吹气压的增加，过滤效率随之下降，当反吹气压增加至6KG，过滤效率下降超过30％。对比例2制备的滤材，虽然在反吹气压为4KG时，过滤效率没有下降，但是当反吹气压增加到5KG时，过滤效率出现明显下降。

而实施例1制备的滤材的耐反吹性能优异，在反吹气压为3-6KG的范围时，过滤效率均没有出现下降。实施例2制备的滤材也表现出优异的耐反吹性能，在反吹气压为3-6KG的范围时，过滤效率均没有出现下降。

上述实施例仅显示了本申请较佳的实施方式，但本申请的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均未脱离本申请的内容，都包含在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种纳米纤维滤材，其特征在于，包括：过滤基材层以及采用纺丝液通过静电纺丝的方法制备的纳米纤维层，所述过滤基材层和所述纳米纤维层之间、和/或所述纳米纤维层之间设有高分子材料斑块层。

2.根据权利要求1所述的纳米纤维滤材，其特征在于，所述纳米纤维层的聚合纤维由高压静电场将聚合物溶液牵引批量拉丝形成、或由高压气流将聚合物溶液鼓吹批量拉丝形成、或由高压静电场将熔融态聚合物或单质牵引批量拉丝形成。

3.根据权利要求1所述的纳米纤维滤材，其特征在于，所述纳米纤维层为多层纳米纤维层复合而成，相邻纳米纤维层的聚合纤维的直径不同。

4.根据权利要求3所述的纳米纤维滤材，其特征在于，所述纳米纤维层由纺丝时间间隔小于10分钟的不同电极纺丝形成。

5.根据权利要求4所述的纳米纤维滤材，其特征在于，所述纳米纤维层为由相同纺丝液制备的聚合纤维直径尺寸不同的纳米纤维层；或所述纳米纤维层为由不同纺丝液制备的聚合纤维直径尺寸相同的纳米纤维层；或所述纳米纤维层为由不同纺丝液制备的聚合纤维直径尺寸不同的纳米纤维层。

6.根据权利要求1所述的纳米纤维滤材，其特征在于，所述高分子材料斑块层由高分子聚合物溶液或熔融态高分子材料通过高压喷溅液滴的方法形成。

7.根据权利要求1所述的纳米纤维滤材，其特征在于，所述高分子材料斑块的最小直径大于所述纳米纤维层的聚合纤维的直径，且最大直径小于10微米。

8.根据权利要求1所述的纳米纤维滤材，其特征在于，所述高分子材料斑块的平均直径为2-3.5微米。

9.根据权利要求1所述的纳米纤维滤材，其特征在于，所述过滤基材层包括滤纸、无纺布、熔喷布、活性炭或玻璃纤维。

10.根据权利要求1所述的纳米纤维滤材，其特征在于，所述纳米纤维层上还设有微米纤维层。

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