一種納米纖維過濾材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種納米纖維過濾材料，包括至少一層直徑小于1000nm的連續(xù)聚合物纖維組成的多孔隙納米纖維層，其特征在于，所述的納米纖維采用溶液噴射紡絲技術(shù)制備而成，各納米層的克重為至少1.5g／m2，納米纖維呈三維卷曲形態(tài)，纖維層的孔隙率占95％以上，纖維層中孔徑在1um-10um的孔的比例占95％以上；當(dāng)以表面速度為5.33cm／s的氣流過濾平均粒徑為0.3μm顆粒時(shí)，所述過濾材料納米纖維層的過濾效率至少為40％，初始?jí)航敌∮?mmH2O，所述的過濾材料的過濾品質(zhì)因數(shù)QF高于0.06(1／mmH2O)，本發(fā)明的納米纖維過濾材料具有高效低阻的過濾性能。
【專利說明】一種納米纖維過濾材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種納米纖維過濾材料，具體為采用溶液噴射紡絲技術(shù)制備的納米纖維層在空氣過濾材料上的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代化工業(yè)的高速發(fā)展，大量的廢氣、煙塵，如工業(yè)廢氣、燃燒、尾氣等，嚴(yán)重污染了人類生存環(huán)境，特別是近年來大氣中廣泛存在的直徑小于2.5微米的顆粒污染物(PM2.5)的危害已經(jīng)引起世界范圍的關(guān)注，其吸入體內(nèi)后會(huì)直接進(jìn)入支氣管，弓丨發(fā)包括哮喘、支氣管炎、塵肺和心血管病等疾病。同時(shí)，電子、精密機(jī)械、冶金、宇航、核能、化工等工業(yè)以及醫(yī)療、制藥、食品等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)過濾材料的要求也越來越高，因此空氣過濾材料在環(huán)境治理、工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中擔(dān)任著日益重要的角色。
[0003]依據(jù)過濾理論，纖維直徑尺寸的下降會(huì)提高過濾效率，當(dāng)纖維的直徑降到微納米級(jí)(小于IOOOnm)時(shí)，其纖維網(wǎng)內(nèi)體現(xiàn)出高比表面積和微小孔徑的結(jié)構(gòu)，這為高過濾效率和高性能提供了優(yōu)勢(shì)，因此微納米纖維的出現(xiàn)為空氣過濾及凈化提供了新的思路和方法，使高精度過濾得到實(shí)現(xiàn)。
[0004]目前，市場(chǎng)上得到廣泛使用的是熔噴纖維網(wǎng)過濾材料，其纖維直徑在2_5um左右，屬于微米級(jí)纖維范疇，纖網(wǎng)孔徑為10-30微米，得到的纖維在高速氣流的作用下具有三維卷曲形態(tài)，纖維網(wǎng)的孔隙率一般在85%以上，這為降低熔噴纖維網(wǎng)的過濾阻力做出了貢獻(xiàn)。普通熔噴纖維網(wǎng)的過濾效率為40-70%，為中高效過濾材料，在加入靜電駐極后，以及增加纖網(wǎng)厚度后，過濾效率能夠達(dá)到90%以上，為高效過濾材料。與普通的非駐極體非織造布相t匕，無論是對(duì)帶電和不帶電的氣溶膠粒子，駐極體非織造布在初期都顯示出特別高的捕獲效率，但隨著材料被捕獲粒子所覆蓋，過濾特性會(huì)發(fā)生改變，機(jī)械阻擋作用增加，成為主要的捕獲機(jī)理(Particul Sci Technol [J]，1987，5 (2): 161-171)。因此，熔噴纖網(wǎng)的靜電駐極具有時(shí)效性和壽命性。
[0005]另外，由靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維也受到了關(guān)注，其纖維直徑在Ium以下，纖網(wǎng)孔徑在0.2-2um之間，在靜電紡工藝中，高壓電場(chǎng)作為主要驅(qū)動(dòng)力使得聚合物溶液或者熔體細(xì)流帶電并得到牽伸的方法來制備納米纖維。其具有高比表面積，直徑小，質(zhì)量輕，孔隙率高以及很強(qiáng)的靜電吸附力等優(yōu)異的性能，其過濾效率高于99%，為超高效過濾材料。Ryu等人研究了靜電紡尼龍6的傳遞通透性能，通過對(duì)靜電紡尼龍6納米纖維膜與商品化(HEPA)高效過濾材料進(jìn)行對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)其對(duì)粒徑在0.3 μ m以下顆粒的過濾性能優(yōu)于HEPA(Eur.Polym.J.[J]2003.39(9):1883-1889)。由于靜電紡納米纖維厚度薄，纖維膜強(qiáng)力小，一般采用基布作為支撐層。Narendiran Vitchuli等通過在50 / 50尼龍/棉織物上沉積一層靜電紡納米纖維，顯著提高了其抵抗和過濾亞微級(jí)氣溶膠化學(xué)物質(zhì)和生物物質(zhì)的性能(J.Appl.Polym.Sc1.[J]2010.116:2181)。Qin等用靜電紡絲法在基布材料上紡制了具有不同面密度的納米纖維層，發(fā)現(xiàn)基布材料上覆蓋了面密度為2.4g/m2的納米纖維層后，過濾效率接近100% (Fiber.Polym.[J]2010.11:632)。盡管靜電紡納米纖維擁有這些高效過濾性能的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也面臨了一些問題和缺陷。首先，大多數(shù)工作仍需在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下的單針頭紡絲設(shè)備上進(jìn)行，其產(chǎn)量較低，進(jìn)液速率一般為0.l-5ml /小時(shí)。其次，靜電紡納米纖維雖然具有高效過濾的顯著特性，但同時(shí)研究表明靜電紡納米纖維膜結(jié)構(gòu)較密實(shí)，在顯著提高過濾效率時(shí)，伴隨著壓力降也會(huì)迅速增大，空氣透過性減小，從而降低了產(chǎn)品的使用壽命，這在很大程度上限制了其作為高效過濾材料的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種納米纖維過濾材料，包括至少一層直徑小于1000nm的連續(xù)聚合物纖維組成的多孔隙納米纖維層，該納米纖維是采用溶液噴射紡絲技術(shù)制備得到的，纖維具有三維卷曲形態(tài)的，纖維層孔隙率在95%以上的，纖維層中孔徑在Ium-1Oum的孔的比例占95%以上，包含有一層或多層支撐材料的過濾材料，所制得的納米纖維過濾材料具有過濾效率高，過濾阻力低，重量輕等優(yōu)異性能，空氣透過性能好，綜合評(píng)價(jià)過濾材料品質(zhì)因數(shù)Qf值高等特點(diǎn)。該制備方法具有工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量提高，適用于工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。
[0007]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是提供一種納米纖維過濾材料，包括至少一層直徑小于1000nm的連續(xù)聚合物纖維組成的多孔隙納米纖維層，所述納米纖維采用溶液噴射紡絲技術(shù)制備而成，所述過濾材料的納米纖維有利的直徑約為100nm-700nm ；所述的納米纖維層孔徑在Ium-1Oum之間的孔的比例占95%以上，介于靜電紡納米纖維和熔噴微納米纖維之間；所述的過濾材料納米纖維為三維卷曲形態(tài)，天然形成褶皺，且具有一定的剛性，對(duì)納米纖維網(wǎng)起到一定的支撐作用，從而增加了納米纖維的比表面積，能夠提高過濾效率和過濾容塵量，同時(shí)由于這種結(jié)構(gòu)使得纖維網(wǎng)具有一定的蓬松度，在過濾粉塵、氣溶膠等顆粒時(shí)，過濾的阻力較靜電紡納米纖維網(wǎng)低。在本發(fā)明材料中，納米纖維層的厚度至少為
0.1mm,這是三維卷曲納米纖維所形成的,最好納米纖維層的厚度大于0.3mm且小于Imm,納米纖維層的厚度可隨納米纖維聚合物的密度變動(dòng)。所述的納米纖維層的孔隙率占95%以上，在不改變納米纖維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)大小的情況下，這大大提高了過濾容塵量，使得該納米纖維過濾材料的使用壽命增加。
`[0008]本發(fā)明涉及的納米纖維過濾材料包括至少一層納米纖維層或還包括至少一層支撐層。所述的各納米層的克重為至少1.5g / m2，納米纖維過濾材料的總基重至少為4.5g /m2。所述的過濾材料支撐層為一層或多層，或三明治夾層式支撐層。所述的過濾材料支撐層包括紗布、網(wǎng)結(jié)構(gòu)材料、紡織品和非織造布。本發(fā)明的納米纖維過濾材料的剛性和強(qiáng)度較小，能夠在沒有支撐層的情況下單獨(dú)使用；為了提高該過濾材料的剛性和強(qiáng)度，增加一層或多層具有足夠強(qiáng)度的紗布、網(wǎng)結(jié)構(gòu)材料、紡織品和非織造布。所述的納米纖維過濾材料其特征在于，當(dāng)以表面速度為5.33cm / s的氣流過濾平均粒徑為0.3 μ m顆粒時(shí)，所述過濾材料納米纖維層的過濾效率至少為40%，所述的過濾材料的初始?jí)航敌∮赟mmH2O,所述的過濾材料的過濾品質(zhì)因數(shù)Qf高于0.06 (I / HimH2O)。
[0009]所述的過濾材料的過濾品質(zhì)因數(shù)能夠綜合評(píng)價(jià)過濾材料的過濾性能，其定義為:
c ln(l / p)
[0010]Qf =~^
Ap
[0011]式中，P代表滲透率；Λρ代表壓力降。因?yàn)?1n(P)其實(shí)質(zhì)為過濾效率，所以過濾品質(zhì)因數(shù)實(shí)際上是過濾效率和壓力降的比值。
[0012]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是制備納米纖維過濾材料的方法，該制備方法是利用高速氣流對(duì)紡絲溶液擠出細(xì)流進(jìn)行超細(xì)拉伸并促進(jìn)溶劑揮發(fā)而獲得超細(xì)甚至納米纖維的紡絲方法，該紡絲方法的工藝步驟為中國發(fā)明專利ZL201110041792.3中公布的“一種聚合物納微纖維非織造布的制備方法”，該方法的基本原理是利用高速氣流對(duì)溶液擠出細(xì)流進(jìn)行噴吹，促使溶液細(xì)流分裂產(chǎn)生射流，在射流運(yùn)行過程中溶劑揮發(fā)，固化成纖維。所述的紡絲液包含溶解聚合物和溶解聚合物的溶劑；所述的溶劑為N，N-二甲基甲酰胺、N, N-二甲基乙酰胺、二甲基亞砜、丙酮、1，4-二氧六環(huán)、二氯乙烷、三氯甲烷、乙醇、四氫呋喃中的一種或兩種及其以上共混體系，共混體系中各組分比例不限；所述的聚合物共混紡絲液包含兩種及其以上聚合物及其溶劑或溶劑共混體系。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種納米纖維過濾材料，包括至少一層直徑小于IOOOnm的連續(xù)聚合物纖維組成的多孔隙納米纖維層，其制備方法是通過溶液噴射紡絲方法制備的納米纖維過濾材料，該納米纖維過濾材料纖維直徑一般在小于IOOOnm以下，典型為100nm-700nm,納米纖維的孔徑在Ium-1Oum之間的孔的比例占95%以上,介于靜電紡納米纖維和熔噴微納米纖維之間，具有天然的三維卷曲狀態(tài)，納米纖維層的孔隙率在95%以上，與其他納米纖維過濾材料相比擁有較高的過濾效率和較低的壓力降，即有較高的品質(zhì)因數(shù)，能夠廣泛應(yīng)用在各種高效低阻過濾材料上，如普通中央空調(diào)、家用中央空調(diào)過濾材料、電子工業(yè)中的空氣過濾、重金屬廢水過濾材料等。該溶液噴射紡絲制備方法產(chǎn)率高、工藝過程簡(jiǎn)單，能耗低，生產(chǎn)周期短，等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的溶液噴射納米纖維過濾材料制備裝置示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的溶液噴射納米纖維過濾材料的掃描電鏡圖片與納米纖維的直徑分布圖。
[0016]圖3為圖2中溶液噴射納米纖維層孔徑分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明。
[0018]以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，但發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求保護(hù)范圍不受具體實(shí)施例的限制。
[0019]實(shí)施例1
[0020]所述的納米纖維過濾材料采用中國發(fā)明專利ZL201110041792.3中的溶液噴射紡絲技術(shù)制備而成，具體為通過溶液噴射紡絲技術(shù)制備尼龍6聚合物的18%無水甲酸溶液制備納米纖維層。所得納米纖維過濾材料的直徑為500-700納米的連續(xù)聚合物多孔隙納米纖維層,納米纖維層的孔徑在4um-6um的孔的比例占95%以上，納米層的克重為4.5g / m2,納米纖維為三維卷曲形態(tài)，納米纖維層的孔隙率為95%以上；當(dāng)以表面速度為5.33cm / s的氣流過濾平均粒徑為0.3 μ m顆粒時(shí)，所述過濾材料納米纖維層的過濾效率為85%以上，初始?jí)航禐?mmH20，所述的過濾材料的過濾品質(zhì)因數(shù)Qf為0.08 (I / mmH20)。
[0021]實(shí)施例2[0022]所述的納米纖維過濾材料采用中國發(fā)明專利ZL201110041792.3中的溶液噴射紡絲技術(shù)制備而成，具體為通過溶液噴射紡絲技術(shù)制備聚丙烯腈(PAN)聚合物的14% N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液制備納米纖維層。所得納米纖維過濾材料的直徑為200-500納米的連續(xù)聚合物多孔隙納米纖維層，納米纖維層的孔徑在2um-5um的孔的比例占95%以上，納米層的克重為3.5g / m2，納米纖維為三維卷曲形態(tài)，納米纖維層的孔隙率為90% ;當(dāng)以表面速度為5.33cm / s的氣流過濾平均粒徑為0.3μπι顆粒時(shí)，所述過濾材料納米纖維層的過濾效率為90%以上，初始?jí)航禐?mmH20，所述的過濾材料的過濾品質(zhì)因數(shù)Qf為0.07 (I /mmHoO) ο
[0023]實(shí)施例3
[0024]所述的納米纖維過濾材料采用中國發(fā)明專利ZL201110041792.3中的溶液噴射紡絲技術(shù)制備而成，具體為通過溶液噴射紡絲技術(shù)制備聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物的12%N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶液制備納米纖維層。所得納米纖維過濾材料的直徑為50-200納米的連續(xù)聚合物多孔隙納米纖維層，納米纖維層中孔徑在lum-2um的孔的比例占95%以上，納米層的克重為2.5g / m2，納米纖維為三維卷曲形態(tài)，納米纖維層的孔隙率為95%以上；當(dāng)以表面速度為5.33cm / s的氣流過濾平均粒徑為0.3 μ m顆粒時(shí)，所述過濾材料納米纖維層的過濾效率為95%以上，初始?jí)航禐镾mmH2O,所述的過濾材料的過濾品質(zhì)因數(shù)Qf為
0.06(1 / mmH20)。
[0025]實(shí)施例4
[0026]所述的納米纖維過濾材料采用中國發(fā)明專利ZL201110041792.3中的溶液噴射紡絲技術(shù)制備而成，具體為通過溶液噴射紡絲技術(shù)制備尼龍6聚合物的18%無水甲酸溶液制備納米纖維層。所得納米纖維過濾材料的直徑為500-700納米的連續(xù)聚合物多孔隙納米纖維層,納米纖維層中孔徑在4um-6um的孔的比例占95%以上，納米層的克重為4.5g / m2，納米纖維為三維卷曲形態(tài)，納米纖維層的孔隙率為95%以上；接收裝置上鋪有一層40g / m2單位重量的紡粘非織造布，得到紡粘/納米纖維層結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米纖維過濾材料。當(dāng)以表面速度為5.33cm / s的氣流過濾平均粒徑為0.3μπι顆粒時(shí)，所述過濾材料納米纖維層的過濾效率為85%以上，初始?jí)航禐?mmH20，所述的過濾材料的過濾品質(zhì)因數(shù)Qf為0.08 (I /
mmHoO) ο
[0027]實(shí)施例5
[0028]按照實(shí)施例4所述制成紡粘/納米纖維層結(jié)構(gòu)，但納米纖維層具有更高的單位重量。制得的結(jié)構(gòu)測(cè)量產(chǎn)品的過濾效率和壓降，以及計(jì)算品質(zhì)因數(shù)Qf的值，結(jié)果在表I中給出。
[0029]表I
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種納米纖維過濾材料，包括至少一層直徑小于IOOOnm的連續(xù)聚合物纖維組成的多孔隙納米纖維層，其特征在于，所述的納米纖維是采用溶液噴射紡絲技術(shù)制備而成，各納米纖維層的克重為至少1.5g / m2，納米纖維呈三維卷曲形態(tài)，纖維層的孔隙率占95%以上,纖維層中孔徑在Ium-1Oum的孔的比例占95%以上； 所述的聚合物包括聚丙烯腈、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚砜、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇吡咯烷酮和聚氧乙烯中的一種或兩種及以上混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米纖維過濾材料,其特征在于,所述的過濾材料中的納米纖維的直徑為100nm_700nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米纖維過濾材料，其特征在于，當(dāng)以表面速度為5.33cm / s的氣流過濾平均粒徑為0.3 μ m顆粒時(shí),所述過濾材料納米纖維層的過濾效率至少為40%，初始?jí)航敌∮赟mmH2O,所述的過濾材料的過濾品質(zhì)因數(shù)Qf高于0.06(1 /_Η20)，所述的納米纖維過濾材料具有高過濾效率和低過濾阻力的特點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米纖維過濾材料,其特征在于,所述的過濾材料還包括支撐層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求4所述的一種納米纖維過濾材料，其特征在于，所述的過濾材料支撐層為一層或多層，或三明治夾層式支撐層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求4所述的一種納米纖維過濾材料，其特征在于，所述的過濾材料支撐層包括紗布、網(wǎng)結(jié)構(gòu)材料、紡織品和非織造布。
【文檔編號(hào)】B01D39/14GK103505942SQ201310459720
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】程博聞, 莊旭品, 石磊, 康衛(wèi)民, 李紅軍, 李孟芹 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)