TWI445571B - 過濾材的製造方法 - Google Patents

Description

過濾材的製造方法

本發明是有關於一種過濾材的製造方法，且特別是有關於一種高效能之過濾材的製造方法。

為提高人們生活的品質，已經有多種設計方式來製作空氣過濾器。每一次技術變革都為人們室內空氣品質帶來顯著的改善效果。一般而言，空氣過濾器按淨化技術分為：高效率微粒空氣過濾器(HEPA，High Efficiency Particulate Air filter)、活性炭空氣過濾器、負離子空氣過濾器等。

HEPA技術是空氣過濾器中最熱門的技術之一。HEPA空氣過濾器主要用以移除粒徑在0.3微米以上之微粒子，其過濾效率依粉塵計數法可高達99.97%以上。此外，「壓力損失」(壓損)亦為過濾材的一項評估指標。壓損的定義是：當氣流通過過濾器時，過濾器會對氣流形成阻力，風量會減少。當壓損越大，過濾器就需要輸入越大的功率才能達到預定輸送的風量，即越耗能。

目前市面上HEPA濾網大多採用濕式成網製程所製成的玻璃纖維過濾材。然而，玻璃纖維有密度大、空氣阻力大、耐鹼性差、脆性、熔點高及刺激皮膚等問題。因此使用後的廢棄物，難以使用燃燒的方式處理，造成回收上的諸多環保問題。

本發明提供一種過濾材的製造方法，其製程簡單而適於製造HEPA等級之過濾材。

本發明提出一種過濾材的製造方法，其包括下列的步驟。首先，提供一聚乙烯醇溶液以及一熱交聯劑，其中熱交聯劑為封閉型異氰酸酯。將聚乙烯醇溶液與熱交聯劑均勻混合以形成一混合溶液，聚乙烯醇溶液與熱交聯劑的比例介於100:1至2:1。將混合溶液放入一紡織裝置中以進行一電紡程序，以形成多條奈米纖維。將這些奈米纖維進行一熱壓程序以形成過濾材。

在本發明一實施例中，上述封閉型異氰酸酯如式(1)所示：

其中，R1表示下列所示之取代基：

R2表示下列所示之取代基：-CH₃ 、-(CH₂ )n-X、-OCH(CH₃ )(CH₂ )n-X、-((CH₂ )nNH₂ )、-((CH₂ )nOH)、-((CH₂ )nC₆ H₄ )-X、-((CH₂ )nC₆ H₄ (CH₂ )y)-X、-((CH₂ )nNH(CH₂ )y)-X、-(CH₂ CH(CH₃ )-X、-(CH₂ CH(CH₃ )CH₂ -X、-CH₂ CH₂ CH(CH₂ CH₃ )CH₂ CH₂ CH₂ -X，其中，n=1~50，y=1~50，X=F、CH₃ 、H。

在本發明一實施例中，上述聚乙烯醇溶液中的聚乙烯醇分子量介於15000至120000。

在本發明一實施例中，上述聚乙烯醇溶液中的聚乙烯醇分子量介於75000至80000。

在本發明一實施例中，上述聚乙烯醇溶液與熱交聯劑的比例介於40:1至2:1。

在本發明一實施例中，上述聚乙烯醇溶液的濃度為3%至30%重量百分比。

在本發明一實施例中，上述熱交聯劑於混合溶液中的比例為0.1%至30%重量百分比。

在本發明一實施例中，於進行上述熱壓程序之後，奈米纖維的平均直徑≦1000 nm。

在本發明一實施例中，上述熱壓程序的溫度≦250℃。

在本發明一實施例中，上述熱壓程序的時間≦10分鐘。

基於上述，本發明之過濾材的製造方法添加熱交聯劑以形成耐水解性極佳的奈米纖維。此外，本發明之過濾材的製造方法更包括熱壓程序以形成過濾材，進而使得過濾材具有良好的抗張強度以及貼合性。此外，上述過濾材的過濾效果佳且壓力損失低。如此一來，上述的過濾材將適合應用在高效率微粒子過濾器(HEPA)的過濾材料中。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明一實施例之過濾材的製造流程示意圖。請參考圖1，首先，進行步驟S10，提供一聚乙烯醇溶液以及一熱交聯劑。

上述聚乙烯醇溶液中的聚乙烯醇分子量介於15000至120000。較佳的是，上述聚乙烯醇溶液中的聚乙烯醇分子量介於75000至80000。此外，聚乙烯醇溶液的濃度為3%至30%重量百分比。詳細來說，聚乙烯醇溶液中包括聚乙烯醇分子以及溶劑。上述的濃度是指溶質於溶液中的重量百分比濃度。在此說明的是，聚乙烯醇溶液為水相溶液，其不需使用有機溶劑作為溶劑。此外，以聚乙烯醇分子所製造的過濾材在使用完畢後，可以使用燃燒的方法處理。因此不會有回收處理困難的問題。

上述熱交聯劑例如為封閉型異氰酸酯。在本實施例中，上述封閉型異氰酸酯如式(1)所示：

R1表示下列所示之取代基：

其中，R2表示下列所示之取代基：-CH₃ 、-(CH₂ )n-X、-OCH(CH₃ )(CH₂ )n-X、-((CH₂ )nNH₂ )、-((CH₂ )nOH)、-((CH₂ )nC₆ H₄ )-X、-((CH₂ )nC₆ H₄ (CH₂ )y)-X、-((CH₂ )nNH(CH₂ )y)-X、-(CH₂ CH(CH₃ ))-X、-(CH₂ CH(CH₃ )CH₂ )-X、-CH₂ CH₂ CH(CH₂ CH₃ )CH₂ CH₂ CH₂ -X，其中，n=1~50，y=1~50，X=F、CH₃ 、H。其中R2取代基較佳為-(CH₂ )n-X或-(CH₂ CH(CH₃ ))-X。

再來，進行步驟S20，將聚乙烯醇溶液與熱交聯劑均勻混合以形成一混合溶液，其中聚乙烯醇溶液與熱交聯劑的重量比例介於100:1至2:1。在一較佳實施例中，聚乙烯醇溶液與熱交聯劑的比例介於40:1至2:1。根據本實施例，熱交聯劑於混合溶液中的比例為3%至30%重量百分比。

接著，進行步驟S30，將混合溶液放入一紡織裝置中以進行一電紡程序，以形成多條奈米纖維。在此，所述紡織裝置以及電紡程序可以採用既有或是已知的紡織裝置以及電紡程序參數。

最後，進行步驟S40，將這些奈米纖維進行一熱壓程序以形成過濾材。需說明的是，在本實施例中，於進行上述熱壓程序之後，奈米纖維的平均直徑≦1000 nm。這些奈米纖維會互相折疊堆積以形成具有微小孔徑的結構，因此可以用來過濾微粒子而具有相當好的過濾效果。此外，上述熱壓程序的時間≦10分鐘，且熱壓程序的溫度≦250℃。

於此說明的是，封閉型異氰酸酯在常溫下安定。當封閉型異氰酸酯加熱至90℃以上，其會開始具有反應性，並且將奈米纖維彼此透過共價鍵結交聯在一起。如此一來，奈米纖維便可具有耐水解的功效。更重要的是，當奈米纖維經過熱壓處理後，奈米纖維除了與交聯劑進行共價鍵結交聯形成耐水解效能外，且能造成纖維之間有互相黏合之型態，除了能使纖維間緊密結合，也可以增加奈米纖維之間與底材的貼合性，更可以增強其抗張強度。

為了更詳細說明依據本發明所述之過濾材的製作方法以及其優點，以下將以實例的製作流程以及各項實驗結果來說明。

實例

於此實例中，所使用的聚乙烯醇之分子量為介於75000至80000之間，將聚乙烯醇溶於水中，並調配聚乙烯醇溶液的濃度為8%重量百分比。另外，此實例所使用的熱交聯劑為如式(1)所示之封閉型異氰酸酯。

其中R1為。R2為-((CH₂ )₃ C₆ H₄ H)-。

接著，將上述聚乙烯醇溶液以及封閉型異氰酸酯以20:1之比例在室溫下均勻混合成混合溶液。再將此混合溶液進行電紡程序，以形成多條奈米纖維，這些奈米纖維的平均直徑≦250 nm。將奈米纖維收集後，進行熱壓程序，其中熱壓的時間為3分鐘且熱壓的溫度為250℃以下。至此，完成本實例之過濾材的製作。

另外，合成對照例1以及對照例2之過濾材，以作為耐水解測試的對照說明。表一為實例、對照例1以及對照例2的合成條件以及耐水解測試結果。

由表一可知，相較於對照例1的混合條件來說，本實例的混合條件不需加熱且不需額外的反應時間。此外，本實例在後續處理中的熱壓程序僅需3分鐘即可完成。更重要的是，相較於對照例2的製程來說，由於本實例之過濾材的製造過程有添加熱交聯劑，因此其耐水解效果佳。換言之，當使用所述過濾材的過程中空氣不斷經過此過濾材時，空氣中所含之水氣不會導致過濾材的損失。因此，本實例之過濾材適合應用在空氣過濾器中。

以下更對本實例之過濾材的濾效及壓損進行測試。為了說明本實例之過濾材的優點，另以對照例3之過濾材以作為比對。對照例3之過濾材的製程條件與本實例大致相同，其中對照例3與本實例不同的之處在於：對照例3的製程中不添加封閉型異氰酸酯，且單獨將聚乙烯醇溶液進行電紡程序形成奈米纖維，並且未將奈米纖維進行熱壓程序。

此外，對於本實例之過濾材的濾效以及壓損的測試除了對未浸水之條件進行測試之外，更對浸水60天後之過濾材進行測試，以進一步了解本實例之過濾材於浸水後的功效。表二為實例以及對照例3之濾效以及壓損測試結果。

由表二可知，本實例之過濾材於進行熱壓程序後之可達到HEPA等級過濾材之濾效。而且，經過熱壓後，本實例之過濾材之壓損雖略為提升，但其仍然符合HEPA等級過濾材之壓損規定。更重要的是，本實例之過濾材具有良好的耐水解性，因此浸水60天後仍可維持一樣的濾效以及壓損。

再來要說明的是本發明之過濾材之抗張強度。一般來說，單純以電紡所製備的奈米纖維之抗張強度低，因此其容易斷裂且無法使用於空氣濾材的製程。為增加抗張強度，本發明的製造方法藉由添加熱交聯劑以增強奈米纖維的強度。圖2是對照例3之過濾材以及本實例之過濾材的應力與應變關係圖。需說明的是，「應力」是指施予纖維膜向外拉扯的作用力大小。而「應變」是指纖維膜受應力作用所產生的形變量。其中，應力的拉力方向又分為縱向(MD)以及橫向(CD)。表三為實例之縱向以及橫向的抗張強度測試結果。需說明的是，「抗張強度」是指當纖維膜被拉扯至斷裂時的應力。

由圖2以及表三可知，添加熱交聯劑之過濾材的抗張強度在縱向以及橫向上的強度差異小。換言之，本實例之過濾材具有均勻的抗張效果，因此過濾材不易從其中一個方向斷裂。此外，經過熱壓程序的過濾材(實例)的應力相較於未經熱壓程序的過濾材(對照例3)提升3倍以上。具體而言，當奈米纖維經過熱壓程序後，奈米纖維之間彼此黏合，因此形成結構較為緻密的過濾材，也因此具有較佳的抗張強度。如此一來，具有較佳抗張強度的過濾材便可實際應用在空氣濾材的製造上。

值得一提的是，利用熱壓程序更可以增加奈米纖維與底材(例如為不織布)之貼合性。一般來說，未經熱壓程序的濾材與不織布的貼合性不佳，因此是使用壓點的方式來結合。然而，壓點的方式會造成過濾面積減少的問題。而依照本發明所述過濾材的製造方法所製得的過濾材與不織布之間的貼合性良好，可避免因壓點方式而造成過濾面積減少的問題，並且有利於實際生產。

綜上所述，本發明之過濾材的製造方法中，添加熱交聯劑以形成耐水解性極佳的奈米纖維。此外，本發明之過濾材的製造方法更包括熱壓程序，將奈米纖維加熱施壓以形成過濾材。藉由此熱壓程序，使得本發明之過濾材具有相當良好的抗張強度以及良好的貼合性，進而使得本發明之過濾材適於空氣過濾器的實際生產應用。更重要的是，依據本發明之過濾材的製造方法簡單，而且其所生產的過濾材具有相當高的過濾效果以及低的壓力損失。如此一來，上述的過濾材將適合應用在高效率微粒子過濾器(HEPA)的過濾材料中。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

S10、S20、S30、S40．．．步驟

圖1為本發明一實施例之過濾材的製造流程示意圖。

圖2是本發明之對照例與實例的應力與應變關係圖。

S10、S20、S30、S40．．．步驟

Claims (10)

1. 一種過濾材的製造方法，包括：提供一聚乙烯醇溶液以及一熱交聯劑，其中該熱交聯劑為封閉型異氰酸酯；將該聚乙烯醇溶液與該熱交聯劑均勻混合以形成一混合溶液，其中該聚乙烯醇溶液與該熱交聯劑的比例介於100:1至2:1；將該混合溶液放入一紡織裝置中以進行一電紡程序，以形成多條奈米纖維；以及將該些奈米纖維進行一熱壓程序以形成該過濾材。
2. 如申請專利範圍第1項所述之過濾材的製造方法，該封閉型異氰酸酯如式(1)所示： 其中，R1表示下列所示之取代基： R2表示下列所示之取代基：-CH₃ 、-(CH₂ )n-X、-OCH(CH₃ )(CH₂ )n-X、-((CH₂ )nNH₂ )、-((CH₂ )nOH)、-((CH₂ )nC₆ H₄ )-X、-((CH₂ )nC₆ H₄ (CH₂ )y)-X、-((CH₂ )nNH(CH₂ )y)-X、-(CH₂ CH(CH₃ )-X、-(CH₂ CH(CH₃ )CH₂ -X、-CH₂ CH₂ CH(CH₂ CH₃ )CH₂ CH₂ CH₂ -X，其中，n=1~50，y=1~50，X=F、CH₃ 、H。
3. 如申請專利範圍第1項所述之過濾材的製造方法，其中該聚乙烯醇溶液中的聚乙烯醇分子量介於15000至120000。
4. 如申請專利範圍第3項所述之過濾材的製造方法，其中該聚乙烯醇溶液中的聚乙烯醇分子量介於75000至80000。
5. 如申請專利範圍第1項所述之過濾材的製造方法，其中該聚乙烯醇溶液與該熱交聯劑的比例介於40:1至2:1。
6. 如申請專利範圍第1項所述之過濾材的製造方法，其中該聚乙烯醇溶液的濃度為3%至30%重量百分比。
7. 如申請專利範圍第1項所述之過濾材的製造方法，其中該熱交聯劑於該混合溶液中的比例為0.1%至30%重量百分比。
8. 如申請專利範圍第1項所述之過濾材的製造方法，其中於進行該熱壓程序之後，該些奈米纖維的平均直徑≦1000 nm。
9. 如申請專利範圍第1項所述之過濾材的製造方法，其中該熱壓程序的溫度≦250℃。
10. 如申請專利範圍第1項所述之過濾材的製造方法，其中該熱壓程序的時間≦10分鐘。