一種高導熱型全熱交換膜及其製備方法與流程

2023-12-06 13:57:16 2

本發明屬於高分子聚合物領域，涉及一種全熱交換膜，特別是一種超高導熱複合全熱交換膜及其製備方法，還涉及一種包括該全熱交換膜的全熱交換芯體，一種包括全熱交換芯體的全熱交換器以及一種包括全熱交換芯體的空氣處理機組。

背景技術：

新風換氣裝置技術近年來有較大提高，通過新鮮空氣與排出的混濁空氣在全熱交換膜上進行能量和溼度交換，可對建築內空氣能量及溼度進行調節和回收，從而有效實現建築物節能減排的目標。

現有新風機的熱交換芯塊多採用鋁芯塊和紙芯塊，鋁芯塊應用於顯熱交換器，無法進行溼度交換即潛熱交換；紙芯塊應用於全熱交換器，但是一方面顯熱交換遠低於鋁芯，另一方面容易黴變、堵塞和滋生細菌，降低了空氣品質，使用壽命也比較短。

在以上背景下，近年來有技術希望通過使用高導熱填料來提高全熱交換膜的導熱係數，進而賦予透溼膜一定的顯熱交換能力。對此，目前主要採用的技術路線有兩種：

(1)高導熱紙芯。採用高導熱填料加入到紙漿中，提高紙芯的全熱交換效率。例如：

申請號為CN201410590943.4的中國專利申請中公開了一種高導熱性石墨烯複合導熱過濾材料，採用水溶性石墨烯和紙漿，其含量配比為水溶性石墨烯≤2％、紙漿≥98％，常溫下均勻混合後採用造紙工藝成型為板狀或用模具成型。

(2)高導熱高分子芯。以樹脂和高導熱填料為原料，以不同方法成型製備全熱交換膜，提高高分子芯的全熱交換效率。例如：

申請號為CN201210332671.9的中國專利申請公開了一種熱交換異相複合薄膜及其製備方法，該熱交換異相複合薄膜由高聚物、非金屬無機物和高導熱導電材料組成，其中非金屬無機物以晶相粉粒分散在高聚物基體中，形成多相固態薄膜；高聚物具有可溶性或可熔性，非金屬無機物具有層狀、網狀或孔狀結構，高導熱導電材料具有層狀、管狀或其它晶格結構，並且高導熱導電材料質量佔高聚物和非金屬無機物總質量的1％～10％。

申請號為CN201610118814.4的中國專利申請公開了一種管狀中空纖維膜、製備方法及應用，其中該纖維膜為中空管狀結構，管壁由外向內依次包括皮層和多孔支撐層，其中，皮層的材質為聚乙烯醇，且皮層的厚度為5-20μm，多孔支撐層中含有導熱材料，導熱材料佔多孔支撐層總質量的40-60％。

申請號為CN201310120456.7的中國專利申請中公開了一種高導熱透溼膜及其製備方法。高導熱透溼膜包括膜基材及高導熱填料，高導熱填料在膜基材和高導熱填料總量中的含量為1-10wt％。

但是以上方法在實際操作過程中，存在以下缺點：導熱填料添加量較少時，不能形成連續的導熱通路，對導熱性能幾乎無改善作用；填料添加量較多時，又往往阻塞高分子膜中的微孔，導致透溼率降低，同時也會大大降低膜的力學性能。因此，目前採用導熱填料/高分子複合膜的技術，材料導熱係數一般在0.2-1W/m·K

為此，市場需要一種新的全熱交換膜，其可以在不降低潛熱交換率的前提下，有效提高顯熱交換效率。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明對材料和結構進行設計，使用碳纖維氈和高分子聚合物的複合薄膜，在保證膜較高透溼率即潛熱交換效率的同時，大大提高其導熱係數即顯熱交換效率，使全熱交換有效提高，同時，還可大大提高膜的力學性能。

本發明提供了一種高導熱型全熱交換膜，包括導熱親水無紡碳纖維氈以及塗敷在該導熱親水無紡碳纖維氈上的親水性高分子複合材料；其中，所述導熱親水無紡碳纖維氈主要由經親水改性的碳纖維製成，所述親水性高分子複合材料包括親水性高分子材料和填料；所述全熱交換膜具有10-37W/(m·K)的導熱係數和554.2-1000g/m2的24小時水蒸氣透過量。

其中，所述導熱親水無紡碳纖維氈的克重為10-50g/m2。

其中，所述導熱親水無紡碳纖維氈包括經親水改性的短切碳纖維。通過用苯胺、陽離子聚丙烯醯胺或氧化劑處理碳纖維，實現高分子聚合物對碳纖維的包覆或使碳纖維輕度氧化，從而實現對碳纖維的親水改性。

其中，所述親水性高分子材料包括聚丙烯酸、高聚合度聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚二甲基丙烯醯胺以及其它親水改性處理後的熱塑性高分子聚合物中的一種或幾種的混合物。

其中，所述填料的添加總量為親水性高分子複合材料總重量的0.1-5％，優選0.5-3％。

其中，所述填料包括吸溼劑、阻燃劑和致孔劑。

其中，所述吸溼劑包括吸溼性無機酸鹽、吸溼性有機酸鹽、吸溼性多價醇、吸溼性高分子中的一種或多種混合物。

其中，所述吸溼性無機酸鹽包括氯化鈣和氯化鎂中的至少一種。

其中，所述吸溼性有機酸鹽包括乳酸鈣和吡絡烷酮羥酸鈉中的至少一種。

其中，所述吸溼性多價醇包括甘醇。

其中，所述吸溼性高分子包括澱粉及其改性物、聚穀氨酸、醋酸乙烯、羧甲基纖維素中的至少一種。

其中，所述吸溼劑必須包括吸溼性無機酸鹽。

其中，所述阻燃劑包括無機系阻燃劑和有機系阻燃劑中的至少一種。

其中，所述無機系阻燃劑包括氫氧化鋁、氫氧化鈣、氫氧化鎂、三氧化二銻、矽系阻燃劑(可為無機的二氧化矽或有機的矽氧烷等材料)中的至少一種。

其中，所述有機系阻燃劑包括聚磷酸銻、溴化銨、氯化聚烯烴中的至少一種。

其中，所述致孔劑包括聚乙二醇，優選聚乙二醇-2000。

本發明還提供了一種上述高導熱型全熱交換膜的製備方法，包括以下步驟：

(a)對碳纖維進行親水改性，並將其製成導熱親水無紡碳纖維氈；

(b)在一定溫度下，在溶劑中溶解親水性高分子材料，然後加入填料，進行恆溫攪拌，均勻分散後形成親水性高分子複合材料；

(c)將所述親水性高分子複合材料塗敷在所述導熱親水無紡碳纖維氈上，經乾燥後得到所述全熱交換膜。

其中，步驟(b)中所述溶劑選自丙酮、水、乙醇、甲醇、異丙醇、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲醯胺、二甲基乙醯胺、乙二醇二甲醚中的一種或幾種的混合溶劑。

其中，所述導熱親水無紡碳纖維氈由親水改性的短切碳纖維經過疏散、分散，採用溼法成型或粘合成型方法製成。其中，步驟(b)中所述溶解和所述恆溫攪拌的溫度為40-90℃，攪拌時間為2-24小時。

其中，步驟(c)中的塗敷方法包括流延法、壓延法、模壓法、蒸發溶劑法中的至少一種。

本發明還提供了一種全熱交換芯體，其包括上述高導熱型全熱交換膜，且優選主要由上述高導熱型全熱交換膜製成，其中，將高導熱型全熱交換膜製成全熱交換芯體的工藝和方法是公知的。

本發明還提供了一種全熱交換器，包括上述全熱交換芯體，還包括殼體、設置在所述殼體上的新風進風口、新風出風口、排風進風口、排風出風口，所述全熱交換芯體設置於所述殼體內。

本發明還提供了一種空氣處理機組，包括上述全熱交換芯體，還包括機組箱體，設置在所述機組箱體上的新風進風口、新風出風口、排風進風口、排風出風口，所述全熱交換芯體設置於所述機組箱體內。

本發明提供了一種新的親水性高導熱全熱交換膜及其製備方法，還提供了一種由所述高導熱型全熱交換膜製成的全熱交換芯體，一種包括所述全熱交換芯體的全熱交換器以及一種包括所述全熱交換芯體的空氣處理機組。該膜的網絡骨架結構或基材結構為由經親水改性處理形成的經親水改性的碳纖維製成的高導熱親水無紡碳纖維布/氈，其可有效提高全熱交換膜的顯熱交換性能。而以此高導熱親水無紡碳纖維布/氈為基材，所塗敷的親水性高分子複合膜有利於水分子在表面的吸附和在垂直方向上的擴散，其中所添加的吸溼劑、阻燃劑和致孔劑有助於進一步提高親水性高分子複合膜的透溼性。以此兩步法製備的全熱交換膜，導熱係數可達10-37W/m·K，24小時水蒸氣透過量可達約1000g/m2。此外，高導熱親水碳纖維布/氈負責傳熱的同時，給全熱交換膜提供了較高的機械強度，可使本發明的全熱交換膜壽命大大高於紙膜和純高分子膜。

具體實施方式

實施例1

步驟(1)：採用經過苯胺親水改性的短切碳纖維為原料，加工克重為15g/m2的親水碳纖維表面氈作為基材。

步驟(2)：取5g聚乙烯醇，加入60ml水並保持95℃持續密封攪拌1小時溶解。隨後加入0.01g氯化鈣、0.01g氫氧化鋁和0.1g聚乙二醇-2000，降溫至80℃並保溫持續攪拌2小時至添加物分散均勻。隨後靜置脫泡12小時。

步驟(3)：將親水碳纖維表面氈浸漬入上述混合物中後取出，在80℃鼓風乾燥箱內保持8小時乾燥，得到全熱交換膜。

所獲得的高導熱型全熱交換膜導熱係數可達15W/m·K，24小時水蒸氣透過量最高可達約913.5g/m2。

實施例2

步驟(1)：採用經過陽離子聚丙烯醯胺親水改性的短切碳纖維為原料，加工克重為20g/m2的親水碳纖維表面氈作為基材。

步驟(2)：取5g聚乙烯吡咯烷酮，加入80ml二甲基甲醯胺並保持50℃持續密封攪拌2小時溶解。隨後加入0.01g氯化鎂、0.01g氫氧化鋁和0.1g聚乙二醇-2000，降溫至40℃並保溫持續攪拌12小時至添加物分散均勻。隨後靜置脫泡12小時。

步驟(3)：將親水碳纖維表面氈浸漬入上述混合物中後取出，在60℃鼓風乾燥箱內保持8小時乾燥，得到全熱交換膜。

所獲得的高導熱型全熱交換膜導熱係數可達22W/m·K，24小時水蒸氣透過量最高可達約814.4g/m2。

實施例3

步驟(1)：採用經過硝酸親水改性的短切碳纖維為原料，加工克重為10g/m2的親水碳纖維表面氈作為基材。

步驟(2)：取10g聚二甲基丙烯醯胺，加入160ml丙酮並保持50℃持續密封攪拌2小時溶解。隨後加入0.02g氧化鋁、0.05g羧甲基纖維素和0.15g聚乙二醇-2000，50℃保溫持續攪拌8小時至添加物分散均勻。隨後靜置脫泡12小時。

步驟(3)：將親水碳纖維表面氈浸漬入上述混合物中後取出，在60℃鼓風乾燥箱內保持12小時乾燥，得到全熱交換膜。

所獲得的高導熱型全熱交換膜導熱係數可達12W/m·K，24小時水蒸氣透過量最高可達約980.5g/m2。

實施例4

步驟(1)：採用經過苯胺親水改性的短切碳纖維為原料，加工克重為50g/m2的親水碳纖維表面氈作為基材。

步驟(2)：取10g聚丙烯酸，加入80ml N-甲基吡咯烷酮並保持40℃持續密封攪拌2小時溶解。隨後加入0.1g醋酸乙烯、0.1g聚氯乙烯和0.05g聚乙二醇-2000，40℃保溫持續攪拌12小時至添加物分散均勻。隨後靜置脫泡12小時。

步驟(3)：將親水碳纖維表面氈浸漬入上述混合物中後取出，在80℃鼓風乾燥箱內保持8小時乾燥，得到全熱交換膜。

所獲得的高導熱型全熱交換膜導熱係數可達37W/m·K，24小時水蒸氣透過量最高可達約554.2g/m2。

表1總結了本發明實施例1-4的高導熱型全熱交換膜與申請號為CN201210332671.9和CN201310120456.7的中國專利申請中的全熱交換膜的比較。由表1可以看出，與現有技術相比，本發明的高導熱型全熱交換膜通過利用導熱親水碳纖維網絡作為全熱交換膜的基材或骨架、且在該基材或骨架上塗敷親水性高分子複合材料，大幅提高了全熱交換膜的顯熱交換能力。同時，高導熱親水碳纖維布/氈負責傳熱的同時，給全熱交換膜提供了較高的機械強度，可使全熱交換膜壽命大大高於紙膜和純高分子膜。

表1本發明的高導熱型全熱交換膜與現有技術的對比

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。