一種高效低阻聚丙烯駐極體空氣過濾材料及其製備方法與流程
2023-05-14 15:07:01
本發明屬於空氣過濾領域，具體涉及一種高效低阻聚丙烯駐極體空氣過濾材料及其製備方法。
技術背景
隨著時代的進步，人們對環境質量的要求越來越高。但經濟的快速發展加劇了環境的汙染，空氣中的粉塵、化學物質、有害微生物等對人們的健康產生了不良影響。因此，有效控制空氣中的有害物質是有待解決的重大問題。空氣過濾器和過濾材料的應用是淨化空氣的重要手段。普通空氣過濾材料對於細小微粒的去除不夠徹底，而且過濾材料上容易滋生有害微生物，存在二次汙染的可能。駐極體空氣過濾材料為解決這一難題提供了可能。
駐極體空氣過濾材料具有高效、低阻、節能、抗菌等優點，是一類非常有應用前景的新型空氣過濾材料。駐極體材料帶電量的多少和電荷衰減快慢將很大程度上影響產品的性能和使用壽命，將無機或有機添加劑加入駐極體過濾材料中能改善駐極體的帶電能力，提高駐極體過濾材料的過濾性能。
闕榮輝、邵名望等人在《矽碳納米材料在納米發電機中的應用研究》一文中研究了矽納米線在納米發電機中的應用，因矽納米線中含有α-石英這種良好的壓電材料，使得矽納米線帶有靜電荷而表現出極好的駐極體效應，使其應用於納米發電機的開發。
因此，利用矽納米線的這一特性，本發明將其應用於駐極體空氣過濾領域，將矽納米線加入過濾材料中，提高駐極體空氣過濾材料的駐極性能，改善駐極體的帶電能力，提高駐極體過濾材料的過濾性能。
技術實現要素：
針對現有技術不足，本發明提供一種高效低阻聚丙烯駐極體空氣過濾材料及其製備方法。
一種高效低阻聚丙烯駐極體空氣過濾材料，由以下重量份的原料組分：聚丙烯50-60份，一氧化矽9-13份，粉末活性炭10-15份，3-氨丙基三乙氧基矽烷偶聯劑2-5份，冰乙酸0.7-1.4份，去離子水適量，低密度聚乙烯蠟1-3份，抗氧劑1010 0.8-2份，鈦酸酯偶聯劑0.7-1.3份，納米電氣石4-7份，烷基聚氧乙烯醚1-3份，納米氧化鋅2-5份。
具體步驟如下：
（1）矽納米線的製備：
①、將裝有一氧化矽粉末的小瓷舟水平放置於氧化鋁管中間，然後將該管放在高溫管式爐中，抽真空在80-100Pa，然後將溫度分別升高到100-200、800-1100℃並分別保溫50-70分鐘，之後升溫到1300-1400℃保溫3-5小時；
②、之後以1-3℃/min的速率降溫到550-650℃並保溫20-40分鐘，同時以50sccm鼓入空氣到爐腔，自然冷卻至室溫，得到矽納米線，備用；
（2）活性炭負載矽納米線的製備：
①、將3-氨丙基三乙氧基矽烷偶聯劑加入到去離子水，並用少量冰乙酸調節pH至4，在室溫下攪拌20-40分鐘，之後加入步驟（1）得到的矽納米線，在80-100℃回流反應11-13小時，抽濾、洗滌、乾燥，得到氨基化矽納米線複合物；
②、將得到的氨基化矽納米線複合物、粉末活性炭加入到去離子水，用超聲波在40℃、150W的條件下混勻20-40分鐘，室溫下靜止老化24小時，用去離子水清洗多次至流出液呈中性，110-120℃烘乾10-14小時至恆重，再置於馬弗爐中380-420℃焙燒3-5小時，冷卻、乾燥，製得活性炭負載矽納米線；
（3）將納米電氣石、烷基聚氧乙烯醚、鈦酸酯偶聯劑加入到去離子水中並在40-60℃條件下進行高速攪拌2-4小時，然後對其進行超聲處理50-60分鐘得到電氣石水分散液，加入納米氧化鋅浸漬2-4小時後取出乾燥，得到納米電氣石/納米氧化鋅複合物；
（4）聚丙烯複合母粒製備：
將步驟（2）製備的活性炭負載矽納米線放入高速混合器中，加入低密度聚乙烯蠟、抗氧劑1010，充分攪拌後取出，在100-110℃條件下恆溫乾燥1-3小時，之後將表面處理好的矽納米線與1/2份的聚丙烯、步驟（3）得到的納米電氣石/納米氧化鋅複合物加入雙螺杆配混擠出機熔融擠出，經水浴冷卻，切割成粒，得到聚丙烯複合母粒；
（5）熔噴製備工藝：
①、將聚丙烯複合母粒與餘下的聚丙烯混合均勻，在熔融狀態下用計量泵餵入噴絲板，控制擠出機的溫度在200-260℃，噴絲板的溫度在230-290℃，計量泵的頻率控制在20-30Hz，將上述溶體從噴絲孔擠出；
②、用高速熱空氣將擠出噴絲孔的熔體吹成超細的纖維，使其飛向凝網簾而冷卻粘合形成纖網；
（6）將步驟（5）得到的纖網通過電暈放電裝置的電極，電極放電使纖網駐極，即得一種高效低阻聚丙烯駐極體空氣過濾材料。
其中，所述的駐極電壓正極選擇20-50KV，負極電壓選擇-10-30KV，駐極距離為5-20cm。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
（1）本發明製備出含有α-石英的矽納米線，由於α-石英形成過程中的體積膨脹被外層的無定形二氧化矽限制而使α-石英產生了壓電效應，同時將產生的電荷儲存於外層具有良好電荷儲存性能的無定形二氧化矽層中，從而表現出很好的駐極體行為，將製備的矽納米線加入到熔噴聚丙烯駐極體材料中，兼具兩者的特性，極大的提高了駐極體空氣過濾材料的電荷穩定性，降低了過濾材料的過濾阻力，具有卓越的過濾效率，與此同時，駐極體形成的強電場還對各類細菌具有明顯的抑制其繁殖的功能。
（2）活性炭具有豐富的孔隙結構和獨特的化學官能團，是環境友好型優良吸附劑，本發明使用活性炭負載經矽烷偶聯劑處理後的矽納米線，提高活性炭對矽納米線的負載量，兩者復配使用可以有效提高過濾材料對空氣中有害物質的吸附，使產品具有優異的過濾性能。
（3）採用鈦酸酯偶聯劑對納米電氣石進行預處理，使其具有半親水半親油的特性，與納米氧化鋅複合，摻雜於聚丙烯熔噴料中，作為駐極體應用於過濾材料，提高過濾材料的帶電性，能有效提升過濾材料的過濾性能，同時有效降低材料的阻力，具有良好的空氣淨化效果。
具體實施方式
一種高效低阻聚丙烯駐極體空氣過濾材料，由以下重量份的原料組分：聚丙烯55，一氧化矽11，粉末活性炭13，3-氨丙基三乙氧基矽烷偶聯劑4，冰乙酸0.9，去離子水適量，低密度聚乙烯蠟2，抗氧劑1010 1.5，鈦酸酯偶聯劑1，納米電氣石5，烷基聚氧乙烯醚2，納米氧化鋅3。
具體步驟如下：
（1）矽納米線的製備：
①、將裝有一氧化矽粉末的小瓷舟水平放置於氧化鋁管中間，然後將該管放在高溫管式爐中，抽真空在100Pa，然後將溫度分別升高到200、900℃並分別保溫60分鐘，之後升溫到1200℃保溫4小時；
②、之後以2℃/min的速率降溫到600℃並保溫30分鐘，同時以50sccm鼓入空氣到爐腔，自然冷卻至室溫，得到矽納米線，備用；
（2）活性炭負載矽納米線的製備：
①、將3-氨丙基三乙氧基矽烷偶聯劑加入到去離子水，並用少量冰乙酸調節pH至4，在室溫下攪拌30分鐘，之後加入步驟（1）得到的矽納米線，在90℃回流反應12小時，抽濾、洗滌、乾燥，得到氨基化矽納米線複合物；
②、將得到的氨基化矽納米線複合物、粉末活性炭加入到去離子水，用超聲波在40℃、150W的條件下混勻30分鐘，室溫下靜止老化24小時，用去離子水清洗多次至流出液呈中性，110℃烘乾12小時至恆重，再置於馬弗爐中400℃焙燒4小時，冷卻、乾燥，製得活性炭負載矽納米線；
（3）聚丙烯複合母粒製備：
將步驟（2）製備的活性炭負載矽納米線放入高速混合器中，加入低密度聚乙烯蠟、抗氧劑1010以及鈦酸酯偶聯劑，充分攪拌後取出，在100℃條件下恆溫乾燥2小時，之後將表面處理好的矽納米線與1/2份的聚丙烯加入雙螺杆配混擠出機熔融擠出，經水浴冷卻，切割成粒，得到聚丙烯複合母粒；
（3）將納米電氣石、烷基聚氧乙烯醚、鈦酸酯偶聯劑加入到去離子水中並在50℃條件下進行高速攪拌3小時，然後對其進行超聲處理60分鐘得到電氣石水分散液，加入納米氧化鋅浸漬3小時後取出乾燥，得到納米電氣石/納米氧化鋅複合物；
（4）聚丙烯複合母粒製備：
將步驟（2）製備的活性炭負載矽納米線放入高速混合器中，加入低密度聚乙烯蠟、抗氧劑1010，充分攪拌後取出，在105℃條件下恆溫乾燥2小時，之後將表面處理好的矽納米線與1/2份的聚丙烯、步驟（3）得到的納米電氣石/納米氧化鋅複合物加入雙螺杆配混擠出機熔融擠出，經水浴冷卻，切割成粒，得到聚丙烯複合母粒；
（5）熔噴製備工藝：
①、將聚丙烯複合母粒與餘下的聚丙烯混合均勻，在熔融狀態下用計量泵餵入噴絲板，控制擠出機的溫度在240℃，噴絲板的溫度在270℃，計量泵的頻率控制在30Hz，將上述溶體從噴絲孔擠出；
②、用高速熱空氣將擠出噴絲孔的熔體吹成超細的纖維，使其飛向凝網簾而冷卻粘合形成纖網；
（6）將步驟（5）得到的纖網通過電暈放電裝置的電極，電極放電使纖網駐極，即得一種高效低阻聚丙烯駐極體空氣過濾材料。
其中，所述的駐極電壓正極選擇40KV，負極電壓選擇-20KV，駐極距離為10cm。
產品性能測試結果：透氣率：107.4L/m2.S ；強力27.4CD ；壓力損失：87.02Pa；過濾效率：99.98%（過濾效率針對粒徑大於0.3μm的粒子）。