一種複合型纖維空氣過濾材料及其製備方法
2023-06-04 17:37:36 2
一種複合型纖維空氣過濾材料及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種複合型纖維空氣過濾材料及其製備方法，一種複合型纖維空氣過濾材料，包括交錯排布的靜電紡聚碸纖維和靜電紡聚丙烯腈纖維，其中靜電紡聚碸纖維的直徑為500~2200nm，靜電紡聚丙烯腈纖維的直徑為150~500nm；其製備方法為將分別裝有聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液的注射針筒間隔式地放入多噴頭平行排列靜電紡絲機進行紡絲作業，最後得到複合型纖維空氣過濾材料；發明的優點在於，通過一次紡絲，即可得到粗細纖維交錯排布的複合型纖維空氣過濾材料，且該複合型纖維空氣過濾材料對空氣中粉塵的過濾效率高、壓力降小。
【專利說明】一種複合型纖維空氣過濾材料及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種空氣過濾材料，尤其是一種複合型纖維空氣過濾材料及其製備方法。
【背景技術】
[0002]空氣中粉塵是主要的汙染源之一，尤其是在工業區和公共社交場所，其濃度驚人，並且粉塵中通常帶菌，嚴重地危及人類的健康，因此必須進行過濾淨化，另外高精度作業區，如:微電子車間的超淨室和光學工程車間的空氣淨化也是必不可少的。通常採用空氣過濾的方法來減少空氣中粉塵，空氣過濾就是分離、捕集分散於空氣中的微粒的一種操作，而利用靜電紡絲方法可以得到直徑為幾十或幾百納米的納米級纖維構成的多孔纖維膜，纖維比表面積大、膜的孔隙率高，很適合用作過濾材料。目前，靜電紡納米纖維空氣過濾材料的研究大多是以傳統過濾介質為基布，直接將納米纖維沉積在基布上，形成納米纖維層和傳統過濾介質構成的複合過濾材料。Leung發現在納米纖維租表面層合微米纖維租可以增加過濾效率，並且壓降小於純納米纖維氈。Shin等人製備了玻璃纖維/納米纖維複合過濾材料，添加少量的納米纖維就可提高玻璃纖維過濾材料的捕集效率，但壓力降也會增加。Qin等在紡粘和熔噴的非織造布上覆蓋一定厚度的納米纖維，其過濾效率提高，但是壓力降也明顯增加。Agne等將PVA納米纖維膜與聚丙烯非織造布複合，隨著納米纖維膜厚度的增加，過濾效率逐漸提高。Patanaik、Leung等將聚氧化乙烯(PEO)納米纖維覆蓋在非織造布基底上形成複合過濾材料。Wang等先通過靜電紡制聚丙烯腈(PAN)纖維層再將靜電紡PVA納米纖維覆蓋在上面形成複合過濾材料。Vitchuli等在50/50聚醯胺6/棉非織造織物基底上沉積了聚醯胺66納米纖維，當纖維堆積密度增加時，過濾效率提高。上述研究都是將單一直徑的靜電紡納米纖維與普通非織造布複合形成空氣過濾材料，雖然過濾效率有所提高，但是過濾過程中的壓力降也隨之增加，目前在過濾效率30%，壓力降35Pa的熔噴非織造布上覆蓋2.4g/m2的納米纖維後，過濾效率可以達到99.9%以上，但是壓力降也達到1530Pa。如何通過靜電紡絲的方法製備高效低阻型納米纖維複合材料已經成為過濾材料領域中關注的焦點之一。
【發明內容】
[0003]本發明目的是:提供一種能夠一次靜電紡絲成形、粗細纖維交錯排布且過濾效率高、壓力降小的複合型纖維空氣過濾材料及其製備方法。
[0004]本發明的技術方案是:一種複合型纖維空氣過濾材料，包括交錯排布的靜電紡聚碸纖維和靜電紡聚丙烯腈纖維，其中靜電紡聚碸纖維的直徑為50(T2200nm，靜電紡聚丙烯腈纖維的直徑為15(T500nm。
[0005]進一步地，該複合型纖維空氣過濾材料的孔隙率為80-88%，平均孔徑為
0.5 μ π 5 μ m，對數量中值直徑75nmNaCl氣溶膠的過濾效率為99~99.99%，壓力降為15(T500Pa。[0006]上述複合型纖維空氣過濾材料的製備方法，包括下述步驟:
O分別配製質量分數為15~25%的聚碸紡絲液和質量分數為69TlO%的聚丙烯腈紡絲
液；
2)將配製好的聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液分別倒入若干個注射針筒中，再將分別裝有聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液的注射針筒間隔式地放入多噴頭平行排列靜電紡絲機，用銅條將每個噴頭連通，再將高壓直流電源的正極與銅條相連，負極與金屬接收滾筒連接並接地，同時在接收滾筒上放置鋁箔，然後啟動多噴頭平行排列靜電紡絲機，在接收滾筒的鋁箔表面同時收集靜電紡聚碸纖維和靜電紡聚丙烯腈纖維；
3)經過紡絲後，在鋁箔的表面形成一層靜電紡纖維膜，將其在室溫下放置2 72小時至溶劑充分揮發，再將靜電紡纖維膜從鋁箔表面揭下，然後在190°C下熱處理10-120分鐘，得到結構和性能穩定的複合型纖維空氣過濾材料。
[0007]進一步地，所述聚碸紡絲液的溶劑為二甲基甲醯胺和丙酮的混合溶液，所述二甲基甲醯胺和所述丙酮的質量比為9:1 ;所述聚丙烯腈紡絲液的溶劑為二甲基甲醯胺。
[0008]進一步地，所述多噴頭平行排列靜電紡絲機工作時的紡絲電壓為15~25kv，紡絲距離為l(T20cm，紡絲液流量為0.5~3mL/h，針筒橫移距離為l(T25cm，針筒橫移速度為10~30cm/mino
[0009]進一步地，所述注射針筒的個數為至少3個。
[0010]本發明的優點是:通過一次紡絲，即可得到粗細纖維交錯排布的複合型纖維空氣過濾材料，其中靜電紡聚碸纖維的直徑為50(T2200nm，靜電紡聚丙烯腈纖維的直徑為15(T500nm，且該複合型纖維空氣過濾材料對空氣中粉塵的過濾率高、壓力降小。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述:
圖1為本發明三噴頭平行排列靜電紡絲機結構示意圖；
圖2為本發明實施例一的複合型纖維空氣過濾材料掃描電子顯微鏡圖；
圖3為本發明實施例二的複合型纖維空氣過濾材料掃描電子顯微鏡圖；
圖4為本發明實施例三的複合型纖維空氣過濾材料掃描電子顯微鏡圖；
圖5為本發明實施例四的複合型纖維空氣過濾材料掃描電子顯微鏡圖；
其中:1注射針筒，2噴頭，3接收滾筒。
【具體實施方式】
[0012]實施例一:用電子天平稱取5g的聚碸顆粒溶於20g質量比為9:1的二甲基甲醯胺和丙酮的混合溶液中，並用恆溫磁力攪拌器在室溫下攪拌以加速溶解，製備得到質量百分數為20%的聚碸紡絲液；用電子天平稱取1.2g聚丙烯腈粉末，將其溶於18.Sg 二甲基甲醯胺溶劑中，並用恆溫磁力攪拌器在室溫下攪拌以加速溶解，製備得到質量百分數為6%的聚丙烯腈紡絲液。
[0013]將上述聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液分別倒入20mL的注射針筒I中，然後將分別裝有聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液的注射針筒I按聚碸紡絲液/聚丙烯腈紡絲液/聚碸紡絲液的順序放入三噴頭平行排列靜電紡絲機，用兩根銅條將三噴頭平行排列靜電紡絲機的三個噴頭2連通，再將高壓直流電源的正極與銅條相連，負極與金屬接收滾筒3連接並接地，鋁箔置於金屬接收滾筒3上，調整三噴頭平行排列靜電紡絲機的紡絲電壓17kv，紡絲距離14cm，紡絲液流量lmL/h，針筒橫移距離17cm，針筒橫移速度30cm/min，然後啟動三噴頭平行排列靜電紡絲機，在金屬接收滾筒3處收集靜電紡聚碸纖維和靜電紡聚丙烯腈纖維；金屬接收滾筒3收集完畢後，在鋁箔表面形成一層靜電紡纖維膜，在室溫下放置48小時至溶劑充分揮發，然後將其從鋁箔上揭下，四周固定後在190°C的條件下熱處理60分鐘，得到結構和性能穩定、且厚度為31.5μπι的複合型纖維空氣過濾材料，其中靜電紡聚碸纖維的直徑為893±103nm，靜電紡聚丙烯腈纖維的直徑為220±25nm，圖2為該複合型纖維空氣過濾材料的掃描電子顯微鏡圖。
[0014]該厚度為31.5μπι的複合型纖維空氣過濾材料的完全孔隙率為85.3%，平均孔徑為2.7 μ m，對數量中值直徑75nmNaCl氣溶膠的過濾效率達到99.90%，而壓力降為278Pa。
[0015]實施例二:用電子天平稱取5g聚碸顆粒，將其溶於15g質量比為9:1的二甲基甲醯胺和丙酮的混合溶液中，並用恆溫磁力攪拌器在室溫下攪拌以加速溶解，製備得到質量百分數為25%的聚碸紡絲液；用電子天平稱取1.6g的聚丙烯腈粉末，將其溶於18.4 g 二甲基甲醯胺溶劑中，並用恆溫磁力攪拌器在室溫下攪拌以加速溶解，製備得到質量百分數為8%的聚丙烯腈紡絲液。
[0016]將上述聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液分別倒入20mL的注射針筒I中，然後將分別裝有聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液的注射針筒I按聚丙烯腈紡絲液/聚碸紡絲液/聚丙烯腈紡絲液的順序放入三噴頭平行排列靜電紡絲機，用兩根銅條將三噴頭平行排列靜電紡絲機的三個噴頭2連通，再將高壓直流電源的正極與銅條相連，負極與金屬接收滾筒3連接並接地，鋁箔置於金屬接收滾筒3上，調整三噴頭平行排列靜電紡絲機的紡絲電壓20kv，紡絲距離15cm，紡絲液流量1.5mL/h，針筒橫移距離20cm，針筒橫移速度30cm/min，然後啟動三噴頭平行排列靜電紡絲機，在金屬接收滾筒3處收集靜電紡聚碸纖維和靜電紡聚丙烯腈纖維；金屬接收滾筒3收集完畢後，在鋁箔表面形成一層靜電紡纖維膜，在室溫下放置48小時至溶劑充分揮發，然後將其從鋁箔上揭下，四周固定後在190°C的條件下熱處理100分鐘，得到結構和性能穩定、且厚度為60μπι的複合型纖維空氣過濾材料，其中靜電紡聚碸纖維的直徑為2045±104nm，靜電紡聚丙烯腈纖維的直徑為436±32nm，圖3為該複合型纖維空氣過濾材料的掃描電子顯微鏡圖。
[0017]該厚度為60 μπι的複合型纖維空氣過濾材料的完全孔隙率為86.4%，平均孔徑為2.14 μ m,對數量中值直徑75nmNaCl氣溶膠的過濾效率達到99.99%，而壓力降為426Pa。
[0018]實施例三:用電子天平稱取4.5g聚碸顆粒，將其溶於20.5g質量比為9:1的二甲基甲醯胺和丙酮的混合溶液中，並用恆溫磁力攪拌器在室溫下攪拌以加速溶解，製備得到質量百分數為18%的聚碸紡絲液；用電子天平稱取1.4g的聚丙烯腈粉末，將其溶於18.6 g二甲基甲醯胺溶劑中，並用恆溫磁力攪拌器在室溫下攪拌以加速溶解，製備得到質量百分數為7%的聚丙烯腈紡絲液。
[0019]將上述聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液分別倒入20mL的注射針筒I中，然後將分別裝有聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液的注射針筒I按聚碸紡絲液/聚丙烯腈紡絲液/聚碸紡絲液/的順序放入三噴頭平行排列靜電紡絲機，用兩根銅條將三噴頭平行排列靜電紡絲機的三個噴頭2連通，再將高壓直流電源的正極與銅條相連，負極與金屬接收滾筒3連接並接地，鋁箔置於金屬接收滾筒3上，調整三噴頭平行排列靜電紡絲機的紡絲電壓18kv，紡絲距離16cm，紡絲液流量0.8mL/h，針筒橫移距離15cm，針筒橫移速度20cm/min，然後啟動三噴頭平行排列靜電紡絲機，在金屬接收滾筒3處收集靜電紡聚碸纖維和靜電紡聚丙烯腈纖維；金屬接收滾筒3收集完畢後，在鋁箔表面形成一層靜電紡纖維膜，在室溫下放置48小時至溶劑充分揮發，然後將其從鋁箔上揭下，四周固定後在190°C的條件下熱處理90分鐘，得到結構和性能穩定、且厚度為50μπι的複合型纖維空氣過濾材料，其中靜電紡聚碸纖維的直徑為724±81nm，靜電紡聚丙烯腈纖維的直徑為253±21nm，圖4為該複合型纖維空氣過濾材料的掃描電子顯微鏡圖。
[0020]該厚度為50 μ m的複合型纖維空氣過濾材料的完全孔隙率為87.2%，平均孔徑為2.98 μ m,對數量中值直徑75nmNaCl氣溶膠的過濾效率達到99.92%，而壓力降為357Pa。
[0021]實施例四:用電子天平稱取3.75g的聚碸顆粒溶於21.25g質量比為9:1的二甲基甲醯胺和丙酮的混合溶液中，並用恆溫磁力攪拌器在室溫下攪拌以加速溶解，製備得到質量百分數為15%的聚碸紡絲液；用電子天平稱取2g聚丙烯腈粉末，將其溶於18g 二甲基甲醯胺溶劑中，並用恆溫磁力攪拌器在室溫下攪拌以加速溶解，製備得到質量百分數為10%的聚丙烯腈紡絲液。
[0022]將上述聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液分別倒入20mL的注射針筒I中，然後將分別裝有聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液的注射針筒I按聚碸紡絲液/聚丙烯腈紡絲液/聚碸紡絲液的順序放入三噴頭平行排列靜電紡絲機，用兩根銅條將三噴頭平行排列靜電紡絲機的三個噴頭2連通，再將高壓直流電源的正極與銅條相連，負極與金屬接收滾筒3連接並接地，鋁箔置於金屬接收滾筒3上，調整三噴頭平行排列靜電紡絲機的紡絲電壓20kv，紡絲距離18cm，紡絲液流量0.8mL/h，針筒橫移距離20cm，針筒橫移速度30cm/min，然後啟動三噴頭平行排列靜電紡絲機，在金屬接收滾筒3處收集靜電紡聚碸纖維和靜電紡聚丙烯腈纖維；金屬接收滾筒3收集完畢後，在鋁箔表面形成一層靜電紡纖維膜，在室溫下放置48小時至溶劑充分揮發，然後將其從鋁箔上揭下，四周固定後在190°C的條件下熱處理120分鐘，得到結構和性能穩定、且厚度為40.8 μ m的複合型纖維空氣過濾材料，其中靜電紡聚碸纖維的直徑為624±51nm，靜電紡聚丙烯腈纖維的直徑為287±36nm，圖5為該複合型纖維空氣過濾材料的掃描電子顯微鏡圖。
[0023]該厚度為40.8 μ m的複合型纖維空氣過濾材料的完全孔隙率為83.1%，平均孔徑為2.0 μ m，對數量中值直徑75nmNaCl氣溶膠的過濾效率達到99.78%，而壓力降為213Pa。
[0024]圖2飛分別為實施例一?實施例四的複合型纖維空氣過濾材料的掃描電子顯微鏡圖，圖2飛中較粗的為靜電紡聚碸纖維、較細的為靜電紡聚丙烯腈纖維，且隨著聚碸紡絲液和聚丙烯腈紡絲液質量百分數差異的不同，兩種纖維間的直徑差異也相應發生變化，孔隙率和平均孔徑也相應改變，從而使複合型纖維空氣過濾材料的空氣過濾效率和壓力降得到調整。
[0025]當然上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明主要技術方案的精神實質所做的修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種複合型纖維空氣過濾材料，其特徵在於，包括交錯排布的靜電紡聚碸纖維和靜電紡聚丙烯腈纖維，其中靜電紡聚碸纖維的直徑為50(T2200nm，靜電紡聚丙烯腈纖維的直徑為 15(T500nm。
2.根據權利要求1所述的複合型纖維空氣過濾材料，其特徵在於，該複合型纖維空氣過濾材料的孔隙率為80-88%，平均孔徑為0.5 μ m-5 μ m,對數量中值直徑75nm NaCl氣溶膠的過濾效率為99~99.99%，壓力降為150~500Pa。
3.—種如權利要求1所述的複合型纖維空氣過濾材料的製備方法，其特徵在於，包括下述步驟: O分別配製質量分數為15~25%的聚碸紡絲液和質量分數為69TlO%的聚丙烯腈紡絲液； 2)將配製好的聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液分別倒入若干個注射針筒中，再將分別裝有聚碸紡絲液、聚丙烯腈紡絲液的注射針筒間隔式地放入多噴頭平行排列靜電紡絲機，用銅條將每個噴頭連通，再將高壓直流電源的正極與銅條相連，負極與金屬接收滾筒連接並接地，同時在接收滾筒上放置鋁箔，然後啟動多噴頭平行排列靜電紡絲機，在接收滾筒的鋁箔表面同時收集靜電紡聚碸纖維和靜電紡聚丙烯腈纖維； 3)經過紡絲後，在鋁箔的表面形成一層靜電紡纖維膜，將其在室溫下放置24~72小時至溶劑充分揮發，再將靜電紡纖維膜從鋁箔表面揭下，然後在190°C下熱處理10-120分鐘，得到結構和性能穩定的複合型纖維空氣過濾材料。
4.根據權利要求3所述的複合型 纖維空氣過濾材料的製備方法，其特徵在於， 所述聚碸紡絲液的溶劑為二甲基甲醯胺和丙酮的混合溶液，所述二甲基甲醯胺和所述丙酮的質量比為9:1 ; 所述聚丙烯腈紡絲液的溶劑為二甲基甲醯胺。
5.根據權利要求3所述的複合型纖維空氣過濾材料的製備方法，其特徵在於，所述多噴頭平行排列靜電紡絲機工作時的紡絲電壓為15~25kv，紡絲距離為l(T20cm，紡絲液流量為0.5~3mL/h，針筒橫移距離為l(T25cm，針筒橫移速度為l(T30cm/min。
6.根據權利要求3所述的複合型纖維空氣過濾材料的製備方法，其特徵在於，所述注射針筒的個數為至少3個。
【文檔編號】D04H1/728GK103706188SQ201310674545
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】潘志娟, 潘芳良, 王丹飛 申請人:蘇州大學