CN104028047A - 一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法 - Google Patents
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，所述制备方法为：在静电纺丝过程中通过控制和调节纺丝过程中的溶剂浓度/压差/两种不同聚合物的熔点/静电喷雾溶剂，从而一步成型获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，其中纤维层的克重为0.01～30g/m2，复合过滤材料的耐磨性为600～3000圈，抗剥离强度为5～100MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.99％以上，阻力压降在25Pa以下，容尘量为100-3000g/m2。本发明制备工艺简单，成本低廉，制备的复合过滤材料在发动机过滤、空压机过滤、燃气轮机过滤、室内空气净化过滤以及高效过滤等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属静电纺丝技术领域，涉及一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，特别是涉及一种在接收基材两侧形成压差并在接收侧空气中含有一定量挥发溶剂蒸汽的高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法。
背景技术
静电纺纳米纤维具有纤维直径小、孔径小、孔隙率高、结构可调性强等特点，由其与基材结合制备的复合过滤材料具有高过滤效率、低阻力压降、高容尘量及长使用寿命等优点，因而使其成为汽车发动机过滤、空压机用滤清器过滤、涡轮内燃机过滤、燃气轮机过滤、重大工程与装备滤清过滤、室内空气净化以及洁净室高效过滤等领域不可或缺的关键材料，具有广阔的应用前景。公开的制备静电纺纳米纤维复合过滤材料的技术有一种纤维素纳/微米纤维非织造复合过滤材料及其制备方法(CN102908829A)，HEPA(H10)性能合成非织造和纳米纤维复合过滤介质(CN101940856A)，过滤器用滤材和过滤器芯(CN102264449A)，静电纺聚乳酸纳米纤维复合滤料的过滤性能研究(论文)，醋酸纳米纤维/PP纺粘非织造布空气过滤复合材料的制备与性能研究(论文),熔体静电纺PET复合过滤材料的制备及性能研究(论文)，熔喷/纺粘复合非织造布过滤材料的研究(论文)静电纺纤维/非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟(硕士论文)都是将静电纺纳米纤维直接喷涂到接收基材上制备纳米纤维复合过滤材料，因而制备的纳米纤维复合过滤材料存在强度低、耐磨性差、基材与纳米纤维层间不抗剥离的问题。
要得到结构致密、高耐磨、抗剥离的复合过滤材料，目前主要通过采用后处理的方式，比如1.热轧处理，多层复合结构的超滤膜或纳滤膜及其制备方法(CN102139187A)、过滤介质、100纳米以下的精细纤维和方法(CN101868290A)，一种纺粘和静电纺复合滤纸制造方法(CN103072365A)、一种过滤器具用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法(CN101829454A)采用了这种方法实现纤维与基材结合的目的，但热轧会使复合过滤材料发生热变形，进而破坏纤维膜的整体结构，最终会影响纤维膜的堆积密度以及孔结构进而影响实际过滤性能。2.交联剂浸泡和交联剂蒸汽熏蒸处理：一种增强纳米纤维耐高温三维过滤材料及其制备方法(201110070055.6)但交联剂浸泡处理存在使原有纤维结构发生变化、与基材粘结程度差等问题，因而上述技术都无法实现高耐磨、抗剥离的高效低阻纳米纤维复合过滤材料的可控制备。3.点胶处理，高强度复合滤纸(CN2309876Y)，乘员舱高效空气过滤纸(CN2522453Y),双面复合玻璃纤维过滤纸(CN87211872U)采用点胶的方法是两种材料复合，但点胶法的胶粒尺寸远大于纤维间形成的孔径，进而是孔径堵塞，增加过滤材料使用时的压阻，导致大量能源的消耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术的复合纳米纤维过滤材料存在强度低、耐磨性差、基材与纳米纤维层间不抗剥离的问题，提供一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法。
本发明的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料，包括接收基材和纳米纤维层，所述纳米纤维层粘连在所述接收基材上；其步骤为在静电纺丝之前先在接收基材上静电喷雾溶剂，所述的静电喷雾到接收基材上的溶剂为单点均匀分布的液滴，所述单点均匀分布的溶剂液滴尺寸范围为0.008～1μm，然后在静电纺丝一层低熔点聚合物，最后在静电纺丝一层高熔点聚合物，并在纺丝过程中控制溶剂蒸汽压溶度和接收基材前后两面的压差，所得静电纺丝沉积在接收基材上，制的高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料。其中静电喷雾到接收基材上的溶剂会部分溶解静电纺丝到接收基材上的低熔点聚合物纤维使其粘连，从而粘附在接收基材上，而低熔点聚合物纤维在经后续的热烘处理后，会将高熔点聚合物纤维和基材粘结到一起，同时纺丝过程中的溶剂蒸汽会使纤维之间产生产生粘连，而精确控制溶剂蒸汽浓度可以调控粘连程度，获得只有纤维搭接点粘连的纳米纤维层，并利用接收基材两侧的气压差，使得所纺纤维层中纤维之间紧密搭接，得到密实的结构，这样可以大幅度提升纳米纤维层本身的耐磨性能以及纳米纤维层与接收基材之间的抗剥离性能同时满足实际应用的需求。
所述接收基材是由纤维堆积而成的多孔结构，孔径为10～120μm，所述纳米纤维层是经静电纺获得的纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构纳米纤维膜，所述三维曲孔结构纳米纤维膜的堆积密度为0.006～0.084；所述高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的耐磨性600～3000圈，抗剥离强度为5～100MPa，对0.3μm～10μm颗粒的过滤效率达99.99％以上，阻力压降在25Pa以下，容尘量为100-3000g/m2。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料，所述接收基材为：木浆纤维素基材、纤维基材或混合的纤维基材；
所述木浆纤维素基材为挺度0.5-5mN·m，克重8-400g/m2的木浆纤维素滤纸或木浆纤维素非织造布；所述木浆纤维素滤纸为瓦楞滤纸，其中纤维素瓦楞滤纸的瓦楞深度为0mm-3mm
所述纤维基材为含纤维素纤维、聚酯纤维、聚烯烃纤维的滤纸或非织造布，其挺度为0.5-5mN·m，克重为6-350g/m2；所述纤维滤纸包含瓦楞滤纸，其中纤维素瓦楞滤纸的瓦楞深度为0mm-3mm
所述混合的纤维基材为含纤维素纤维素、聚酯纤维、聚烯烃纤维中的两种以上组成的混合纤维的滤纸或非织造布，其挺度为为0.5-5mN·m，克重为6-350g/m2，所述混合纤维滤纸为瓦楞滤纸，其中纤维素瓦楞滤纸的瓦楞深度为0mm-3mm。
如上所述的一种高其耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料，所述纳米纤维层的纤维直径为0.008～1μm、纳米纤维层的克重为0.01～30g/m2，纳米纤维层的孔隙率≥80％。
如上所述的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料，所述纳米纤维层粘连在所述接收基材上是指介于所述纳米纤维层和所述接收基材之间有一层低熔点聚合物纳米纤维膜，通过热烘处理使所述纳米纤维层粘连在所述接收基材上；所述纳米纤维层与低熔点聚合物纳米纤维膜的材料为聚醋酸乙烯、聚偏氟乙烯、尼龙6、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚己内酯、聚醋酸乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙二醇、聚氨酯、聚砜、聚醚砜中熔融温度相差至少20℃的两种，所述纳米纤维层的材料温度相对高，低熔点聚合物纳米纤维膜的材料温度相对低。
本发明还提供了一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的纺丝方法，采用在接收基材表面经静电纺丝形成纳米纤维层，所述接收基材的表面即接收侧的气压＞1.013×105Pa，所述接收基材的背面的气压为0～1.013×105Pa；且在所述接收基材下方一定区间内的溶剂蒸汽浓度为1～10g/cm3，所述一定区间是指从接收基材表面起算的高度区间，高度取值0.05～5mm。
如上所述的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的纺丝方法，在接收基材表面经静电纺丝形成纳米纤维层前，先通过静电纺丝在接收基材表面喷射一层低熔点聚合物纳米纤维膜，再静电纺丝喷射一层纳米纤维层，然后在介于低熔点聚合物纳米纤维膜和纳米纤维层两者熔融温度之间的条件下热烘处理处理，使低熔点聚合物熔融粘结上层纳米纤维层和接收基材。
如上所述的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的纺丝方法，在接收基材表面经静电纺丝形成纳米纤维层前，先静电喷雾溶剂到接收基材上，随后静电纺丝一层纳米纤维层，依靠溶剂的作用使纳米纤维层粘连到接收基材上；所述静电喷雾溶剂是指利用高压电场使其带电，以雾滴的形式喷射到接收基材上。
如上所述的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的纺丝方法，所述静电纺丝参数为:电压5～70KV，接收距离3～40cm，灌注速度0.1～10ml/h，温度15～35℃，湿度15～90％。
如上所述的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的纺丝方法，所述静电纺丝所使用溶剂为乙醇、甲酸、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺，丙酮、氯仿、甲酚、二甲基亚砜、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、甲乙酮、甲基乙基酮的一种或两种以上的混合物。
如上所述的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的纺丝方法，所述静电纺丝为平板接收或空心平板装置接收，接收方式为上下接收或左右接收；
所述静电纺丝是将整个纺丝机进行密闭，密闭空间有允许基材进出的1～3mm狭缝，空心平板装置和密封钢带是空心的，所述密闭纺丝空间上连有气压监测装置和气体补偿装置以及溶剂蒸汽浓度监测装置，所述空心空心平板装置和密封钢带连有气压监测装置和真空泵装置；
或者，所述静电纺丝是将整个纺丝机进行密闭，密闭空间包含基材收放卷装置，空心平板装置和密封钢带是空心的，所述密闭纺丝空间上连有气压监测装置和气体补偿装置以及溶剂蒸汽浓度监测装置，所述空心空心平板装置和密封钢带连有气压监测装置和真空泵装置；
或所述静电纺丝是将整个纺丝机是进行半密闭，封闭空间不包括空心平板装置和密封钢带，但空心平板装置和密封钢带与密闭空间的距离在0.5mm～10mm之间调节，空心平板装置和密封钢带是空心的，所述密闭纺丝空间上连有气压监测装置和气体补偿装置以及溶剂蒸汽浓度监测装置，所述空心空心平板装置和密封钢带连有气压监测装置和真空泵装置。
在纺丝的过程中由于纺丝溶剂的快速挥发，使得在基材的近表面会形成一定量溶剂蒸汽浓度，但溶剂蒸汽浓度过大会导致溶膜产生，溶剂浓度过小纤维间无粘连，结构蓬松，耐磨性差，溶剂浓度是同时作用在接收面和纤维成形的路径上的，作用在纤维成形路径的机理是一定量的溶剂浓度形成蒸汽压可以阻碍空气中水分与含DMF的纤维束的相互作用，防止聚合物的快速固化及蓬松结构的形成。同时溶剂浓度作用在接收面的机理是特定量的溶剂浓度使的纤维膜中纤维与纤维在交叉点处粘连，同时不会导致大面积粘连(导致纤维膜的过滤效率降低，压阻升高)、纤维膜中纤维与基材产生粘结。同时在纺丝的过程中由于纺丝区间为高气压区(＞1.013×105Pa)，接收基材背面为低气压区(0～1.013×105Pa)，两部分之间的压差有利于纤维层形成致密结构，同时气压差有利于表层溶剂向纤维层内部的渗透，而纤维中的残留溶剂能够使纤维膜中纤维之间，纤维与基材之间产生强的粘结作用。
有益效果
1.本发明首次采用控制纺丝过程中溶剂蒸汽浓度含量和接收基材两面的气压差在多喷头静电纺丝技术支撑下，一步法获得了纤维搭接点全粘连的三维曲孔结构纳米纤维层，纳米纤维层与基材强粘结的结构致密、高耐磨、抗剥离的复合纳米纤维过滤材料。
2.本发明提供的制备方法工艺简单，可适用于一系列广泛的聚合物基纳米纤维复合过滤材料的制备。此外，本制备方法具有良好的纤维结构可控性，可通过控制溶剂蒸汽浓度/压差/两种不同聚合物的熔点/静电喷雾溶剂，实现对纤维膜的堆积密度以及粘连程度的精确控制。
3.本发明制备的纳米纤维复合过滤材料在纳米纤维搭接点处具有“焊接”粘连结构，纳米纤维层与基材之间具有强粘结结构，因而具有优良的耐磨性能和抗剥离性能，性能优于现有纳米纤维复合过滤材料。
4.采用一步成型制备高耐磨，抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料，与现有专利相比不需要对其后处理，只需控制纺丝过程中的溶剂浓度/压差/两种不同聚合物的熔点/静电喷雾溶剂，便可一步成型制备具有高耐磨、抗剥离的纳米纤维复合过滤材料。
5.本发明制备的纳米纤维复合过滤材料具有孔径小，孔隙率高、强粘结的三维曲孔结构，材料的这种特性使其在实际使用时大大增强了过滤膜的容尘能力以及自动清灰性能，极大的延长了过滤器的使用寿命，具有广泛的实际应用前景。
附图说明
图1为密闭空间包含密封钢带的示意图
图2为半密闭空间不包含密封钢带的示意图
图3为密闭空间包含收放卷装置的示意图
图4为密闭空间包含空心平板接收装置的示意图
图5为半密闭空间不包含空心平板接收装置的示意图
图6为密闭空间包含收放卷装置的示意图
图中1是接收基材 2是密封钢带内气压监测与补偿*** 3是密封钢带或空心平板接收装置 4是密闭空间 5是密闭空间内气压监测与补偿*** 6纺丝射流 7是喷丝模块 8是溶剂蒸汽浓度监测装置
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料，包括接收基材和纳米纤维层，所述纳米纤维层粘连在所述接收基材上；所述接收基材是由纤维堆积而成的多孔结构，孔径为10～120μm，所述纳米纤维层是经静电纺获得的纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构纳米纤维膜，所述三维曲孔结构纳米纤维膜的堆积密度为0.006～0.084；所述高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的耐磨性600～3000圈，抗剥离强度为5～100MPa，对0.3μm～10μm颗粒的过滤效率达99.99％以上，阻力压降在25Pa以下，容尘量为100-3000g/m2。
所述接收基材为：木浆纤维素基材、纤维基材或混合的纤维基材；
所述木浆纤维素基材为挺度0.5-5mN·m，克重8-400g/m2的木浆纤维素滤纸或木浆纤维素非织造布；所述木浆纤维素滤纸为瓦楞滤纸，其中纤维素瓦楞滤纸的瓦楞深度为0mm-3mm
所述纤维基材为含纤维素纤维、聚酯纤维、聚烯烃纤维的滤纸或非织造布，其挺度为0.5-5mN·m，克重为6-350g/m2；所述纤维滤纸包含瓦楞滤纸，其中纤维素瓦楞滤纸的瓦楞深度为0mm-3mm
所述混合的纤维基材为含纤维素纤维素、聚酯纤维、聚烯烃纤维中的两种以上组成的混合纤维的滤纸或非织造布，其挺度为为0.5-5mN·m，克重为6-350g/m2，所述混合纤维滤纸为瓦楞滤纸，其中纤维素瓦楞滤纸的瓦楞深度为0mm-3mm。
所述纳米纤维层的纤维直径为0.008～1μm、纳米纤维层的克重为0.01～30g/m2，纳米纤维层的孔隙率≥80％。
所述纳米纤维层粘连在所述接收基材上是指介于所述纳米纤维层和所述接收基材之间有一层低熔点聚合物纳米纤维膜，通过热烘处理使所述纳米纤维层粘连在所述接收基材上；所述纳米纤维层与低熔点聚合物纳米纤维膜的材料为聚醋酸乙烯、聚偏氟乙烯、尼龙6、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚己内酯、聚醋酸乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙二醇、聚氨酯、聚砜、聚醚砜中熔融温度相差至少20℃的两种，所述纳米纤维层的材料温度相对高，低熔点聚合物纳米纤维膜的材料温度相对低。
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的纺丝方法，采用在接收基材表面经静电纺丝形成纳米纤维层，所述接收基材的表面即接收侧的气压＞1.013×105Pa，所述接收基材的背面的气压为0～1.013×105Pa；且在所述接收基材下方一定区间内的溶剂蒸汽浓度为1～10g/cm3，所述一定区间是指从接收基材表面起算的高度区间，高度取值0.05～5mm。
实施例1
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚丙烯腈粉末和聚砜树脂颗粒分别置于70℃真空烘箱中下真空干燥1.5小时和110℃真空烘箱中下真空干燥2.5小时。
第二步：将干燥完毕的聚丙烯腈粉末溶于DMF溶液中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚丙烯腈的质量分数为30％；同时聚砜树脂颗粒溶于DMF溶液中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚砜的质量分数为35％
第三步：在10mL的针管中抽入一定量DMF溶剂，后以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为20cm，所加电压为50kV。
第四步：在将整个纺丝机进行密闭的空间中，如图1所示，控制温度为25℃，湿度为90％，将第二步所获得的质量分数为35％的聚砜静电纺丝溶液，以8mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心密封钢带上的接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为30cm，所加电压为65kV，，静电纺丝获得聚砜纳米纤维，后将第二步所获得的质量分数为35％的聚丙烯腈静电纺丝溶液，以6mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为40cm，所加电压为55kV，静电纺丝获得聚丙烯腈纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽压浓度为1g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为1×105Pa，所述接收基材的背面的气压为0Pa，然后将所得材料通过热烘处理，从而获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为1g/m2，复合过滤材料的耐磨性为1500圈，抗剥离强度为70MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.995％，阻力压降为22Pa。
实施例2
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚氧化乙烯粉末和聚氨酯颗粒分别置于70℃真空烘箱中下真空干燥1.5小时和110℃真空烘箱中下真空干燥2.5小时。
第二步：将干燥完毕的聚氧化乙烯粉末溶于DMAc溶液中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚氧化乙烯的质量分数为28％；同时聚氨酯颗粒溶于DMF溶液中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚氨酯的质量分数为30％
第三步：在10mL的针管中抽入一定量DMAc溶剂，后以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为18cm，所加电压为60kV。
第四步：在将整个纺丝机进行密闭的空间中，如图4所示，控制温度为15℃，湿度为60％，将第二步所获得的质量分数为28％的聚氧化乙烯静电纺丝溶液，以8mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心密封空心平板装置上的接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为20cm，所加电压为55kV，静电纺丝获得聚氧化乙烯纳米纤维，后将第二步所获得的质量分数为30％的聚氨酯静电纺丝溶液，以10mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为25cm，所加电压为65kV，静电纺丝获得聚氨酯纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽压浓度为3g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为5×105Pa，所述接收基材的背面的气压为1×104Pa，然后将所得材料通过热烘处理，从而获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为2g/m2，复合过滤材料的耐磨性为2500圈，抗剥离强度为93MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.997％，阻力压降在24Pa。
实施例3
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚己内酯颗粒和聚醚砜颗粒分别置于40℃真空烘箱中下真空干燥3.5小时和150℃真空烘箱中下真空干燥1.0小时。
第二步：将干燥完毕的聚己内酯颗粒溶于丙酮中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌10小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚己内酯的质量分数为20％；同时聚醚砜颗粒溶于NMP溶液中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚醚砜的质量分数为40％
第三步：在10mL的针管中抽入一定量丙酮溶剂，后以0.2mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为10cm，所加电压为40kV。
第四步：在将整个纺丝机进行密闭，密闭空间包含基材收放卷装置的纺丝设备中，如图3所示，控制温度为25℃，湿度为70％，将第二步所获得的质量分数为20％的聚己内酯静电纺丝溶液，以7mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心密封钢带上的接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为15cm，所加电压为55kV，静电纺丝获得聚己内酯纳米纤维，后将第二步所获得的质量分数为40％的聚醚砜静电纺丝溶液，以6mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为20cm，所加电压为65kV，静电纺丝获得聚醚砜纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽压浓度为10g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为5×105Pa，所述接收基材的背面的气压为1×104Pa，然后将所得材料通过热烘处理，从而获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为4g/m2，复合过滤材料的耐磨性为2200圈，抗剥离强度为83MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.991％，阻力压降在19Pa。
实施例4
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚偏氟乙烯颗粒和聚乙烯醇粉末分别置于130℃真空烘箱中下真空干燥4小时和130℃真空烘箱中下真空干燥2小时。
第二步：将干燥完毕的聚偏氟乙烯颗粒溶于二甲基亚砜中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚偏氟乙烯的质量分数为30％；同时将聚乙烯醇粉末溶于甲苯中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌10小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚乙烯醇的质量分数为35％。
第三步：在10mL的针管中抽入一定量二甲基亚砜溶剂，后以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为10cm，所加电压为40kV。
第四步：在将整个纺丝机进行密闭，密闭空间包含基材收放卷装置的纺丝设备中，如图6所示，控制温度为20℃，湿度为50％，将第二步所获得的质量分数为30％的聚偏氟乙烯静电纺丝溶液，以5mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心密封空心平板装置上的接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为3cm，所加电压为5kV，静电纺丝获得聚偏氟乙烯纳米纤维，后将第二步所获得的质量分数为35％的聚乙烯醇静电纺丝溶液，以6mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为40cm，所加电压为75kV，静电纺丝获得聚偏氟乙烯纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽压浓度为3.6g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为5×105Pa，然后将所得材料通过热烘处理，所述接收基材的背面的气压为1×104Pa。获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为2.5g/m2，复合过滤材料的耐磨性为1850圈，抗剥离强度为77MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.999％，阻力压降在25Pa。
实施例5
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚己内酯颗粒和聚对苯二甲酸乙二酯颗粒分别置于35℃真空烘箱中下真空干燥6小时和180℃真空烘箱中下真空干燥1小时。
第二步：将干燥完毕的聚己内酯颗粒溶于甲酚中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌10小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚己内酯的质量分数为28％；同时聚对苯二甲酸乙二酯颗粒溶于四氢呋喃中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚对苯二甲酸乙二酯的质量分数为30％
第三步：在10mL的针管中抽入一定量甲酚溶剂，后以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为10cm，所加电压为40kV。
第四步：在将整个纺丝机是进行半密闭，封闭空间不包括密封钢带的纺丝装置中，如图2所示，控制温度为35℃，湿度为40％，将第二步所获得的质量分数为28％的聚己内酯静电纺丝溶液，以7mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心密封钢带上接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为26cm，所加电压为65kV，静电纺丝获得聚己内酯纳米纤维，后将第二步所获得的质量分数为30％的聚对苯二甲酸乙二酯静电纺丝溶液，以10mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为30cm，所加电压为75kV，静电纺丝获得聚对苯二甲酸乙二酯纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽压浓度为8g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为6×105Pa，所述接收基材的背面的气压为3×104Pa，然后将所得材料通过热烘处理，从而获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为3g/m2，复合过滤材料的耐磨性为2000圈，抗剥离强度为89MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.999％，阻力压降在17Pa。
实施例6
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚乙烯吡咯烷酮粉末和尼龙6颗粒分别置于80℃真空烘箱中下真空干燥3小时和180℃真空烘箱中下真空干燥1小时。
第二步：将干燥完毕的聚乙烯吡咯烷酮粉末溶于乙醇中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌10小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为35％；同时尼龙6颗粒溶于甲酸中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，尼龙6的质量分数为10％
第三步：在10mL的针管中抽入一定量乙醇溶剂，后以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为15cm，所加电压为60kV。
第四步：在将整个纺丝机是进行半密闭，封闭空间不包括密封钢带的纺丝装置中，如图5所示，控制温度为30℃，湿度为15％，将第二步所获得的质量分数为35％的聚乙烯吡咯烷酮静电纺丝溶液，以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心平板装置上接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为22cm，所加电压为65kV，静电纺丝获得聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维，后将第二步所获得的质量分数为10％的尼龙6静电纺丝溶液，以5mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为30cm，所加电压为70kV，静电纺丝获得尼龙6纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽压浓度为7g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为5×105Pa，所述接收基材的背面的气压为2×104Pa，然后将所得材料通过热烘处理，从而获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为1.5g/m2，复合过滤材料的耐磨性为1300圈，抗剥离强度为67MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.993％，阻力压降在15Pa。
实施例7
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚醋酸乙烯颗粒和聚苯胺颗粒分别置于40℃真空烘箱中下真空干燥6小时和200℃真空烘箱中下真空干燥1小时。
第二步：将干燥完毕的聚醋酸乙烯颗粒溶于乙酸乙酯中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌10小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚醋酸乙烯的质量分数为30％；同时聚苯胺颗粒溶于甲基吡咯烷酮中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚苯胺的质量分数为20％
第三步：在10mL的针管中抽入一定量乙酸乙酯溶剂，后以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为10cm，所加电压为55kV。
第四步：在将整个纺丝机进行密闭，密闭空间包含基材收放卷装置的纺丝设备中，如图3所示，控制温度为20℃，湿度为55％，将第二步所获得的质量分数为30％的聚醋酸乙烯静电纺丝溶液，以7mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心密封钢带上接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为18cm，所加电压为50kV，静电纺丝获得聚醋酸乙烯纳米纤维，后将第二步所获得的质量分数为20％的聚苯胺静电纺丝溶液，以9mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为35cm，所加电压为60kV，静电纺丝获得聚苯胺纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽压浓度为10g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为5×105Pa，所述接收基材的背面的气压为2×104Pa，然后将所得材料通过热烘处理，从而获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为2g/m2，复合过滤材料的耐磨性为1666圈，抗剥离强度为80MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.993％，阻力压降在18Pa。
实施例8
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚乙二醇颗粒和聚甲基丙烯酸甲酯颗粒分别置于40℃真空烘箱中下真空干燥6小时和200℃真空烘箱中下真空干燥1小时。
第二步：将干燥完毕的聚乙二醇颗粒溶于氯仿中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌10小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚乙二醇的质量分数为35％；同时聚甲基丙烯酸甲酯颗粒溶于甲基吡咯烷酮中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚甲基丙烯酸甲酯的质量分数为25％
第三步：在10mL的针管中抽入一定量氯仿溶剂，后以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为10cm，所加电压为55kV。
第四步：在将整个纺丝机是进行半密闭，封闭空间不包括密封钢带的纺丝装置中，如图2所示，控制温度为25℃，湿度为30％，将第二步所获得的质量分数为35％的聚乙二醇静电纺丝溶液，以4mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心密封钢带上接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为15cm，所加电压为65kV，静电纺丝获得聚乙二醇纳米纤维，后将第二步所获得的质量分数为4％的聚甲基丙烯酸甲酯静电纺丝溶液，以9mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为35cm，所加电压为70kV，静电纺丝获得聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽浓度为3.5g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为5×105Pa，所述接收基材的背面的气压为2×104Pa，然后将所得材料通过热烘处理，从而获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为4g/m2，复合过滤材料的耐磨性为2900圈，抗剥离强度为95MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.998％，阻力压降在16Pa。
实施例9
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚己内酯颗粒和聚苯乙烯颗粒分别置于35℃真空烘箱中下真空干燥6小时和180℃真空烘箱中下真空干燥1小时。
第二步：将干燥完毕的聚己内酯颗粒溶于丙酮中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌10小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚己内酯的质量分数为40％；同时聚苯乙烯颗粒溶于甲基乙基酮中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌15小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚苯乙烯的质量分数为35％
第三步：在10mL的针管中抽入一定量丙酮溶剂，后以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为10cm，所加电压为55kV。
第四步：在将整个纺丝机是进行半密闭，封闭空间不包括密封钢带的纺丝装置中，如图2所示，控制温度为20℃，湿度为25％，将第二步所获得的质量分数为40％的聚己内酯静电纺丝溶液，以7mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心密封钢带上接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为20cm，所加电压为50kV，静电纺丝获得聚己内酯纳米纤维，后将第二步所获得的质量分数为35％的聚苯乙烯静电纺丝溶液，以3mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为30cm，所加电压为65kV，静电纺丝获得聚苯乙烯纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽浓度为4g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为3×105Pa，所述接收基材的背面的气压为1×104Pa，然后将所得材料通过热烘处理，从而获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为2g/m2，复合过滤材料的耐磨性为2800圈，抗剥离强度为90MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.998％，阻力压降在13Pa。
实施例10
一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料及其纺丝方法，具体步骤为：
第一步：将聚乙烯吡咯烷酮粉末置于80℃真空烘箱中下真空干燥3小时
第二步：将干燥完毕的聚乙烯吡咯烷酮粉末溶于乙醇中，将所述溶液置于磁力搅拌器上分别搅拌10小时，形成均相溶液；所述均相溶液中，聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为35％。
第三步：在10mL的针管中抽入一定量乙醇溶剂，后以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为15cm，所加电压为60kV。
第四步：在将整个纺丝机是进行半密闭，封闭空间不包括密封钢带的纺丝装置中，如图5所示，控制温度为30℃，湿度为15％，将第二步所获得的质量分数为35％的聚乙烯吡咯烷酮静电纺丝溶液，以0.1mL/h的灌注速度静电喷雾到铺设在空心密封空心平板装置上接收基材上，喷丝口到接收基材的距离为22cm，所加电压为65kV，静电纺丝获得聚乙烯吡咯烷酮纳米纤维，同时在纺丝过程中控制溶剂蒸汽压浓度为7g/cm3和所述接收基材的表面即接收侧的气压为5×105Pa，所述接收基材的背面的气压为2×104Pa，然后将所得材料通过热烘处理，从而获得纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构复合过滤材料，所述复合过滤材料的纤维层克重为1.5g/m2，复合过滤材料的耐磨性为1100圈，抗剥离强度为47MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.991％，阻力压降在12Pa。
实施例11-120制备步骤同实施例1，其中溶液参数、工艺参数和复合过滤材料性能参数如表1-21所示：
实施例121-136制备步骤同实施例10，其中溶液参数、工艺参数和复合过滤材料性能参数如表23-25所示：
表25：
Claims (10)
1.一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料，其特征在于，包括接收基材和纳米纤维层，所述纳米纤维层粘连在所述接收基材上；所述接收基材是由纤维堆积而成的多孔结构，孔径为10～120μm，所述纳米纤维层是经静电纺获得的纤维搭接点全粘连的密实的三维曲孔结构纳米纤维膜，所述三维曲孔结构纳米纤维膜的堆积密度为0.006～0.084；所述高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的耐磨性600～3000圈，抗剥离强度为5～100MPa，对0.008μm～2μm颗粒的过滤效率达99.99％以上，阻力压降在25Pa以下，容尘量为100-3000g/m2。
2.根据权利要求1所述的过滤材料，其特征在于，所述接收基材为：木浆纤维素基材、纤维基材或混合的纤维基材；
所述木浆纤维素基材为挺度0.5-5mN·m，克重8-400g/m2的木浆纤维素滤纸或木浆纤维素非织造布；所述木浆纤维素滤纸为瓦楞滤纸，其中纤维素瓦楞滤纸的瓦楞深度为0mm-3mm
所述纤维基材为含纤维素纤维、聚酯纤维、聚烯烃纤维的滤纸或非织造布，其挺度为0.5-5mN·m，克重为6-350g/m2；所述纤维滤纸包含瓦楞滤纸，其中纤维素瓦楞滤纸的瓦楞深度为0mm-3mm
所述混合的纤维基材为含纤维素纤维素、聚酯纤维、聚烯烃纤维中的两种以上组成的混合纤维的滤纸或非织造布，其挺度为为0.5-5mN·m，克重为6-350g/m2，所述混合纤维滤纸为瓦楞滤纸，其中纤维素瓦楞滤纸的瓦楞深度为0mm-3mm。
3.根据权利要求1所述的过滤材料，其特征在于，所述纳米纤维层的纤维直径为0.008～1μm、纳米纤维层的克重为0.01～30g/m2，纳米纤维层的孔隙率≥80％。
4.根据权利要求1所述的过滤材料，其特征在于，所述纳米纤维层粘连在所述接收基材上是指介于所述纳米纤维层和所述接收基材之间有一层低熔点聚合物纳米纤维膜，通过热烘处理使所述纳米纤维层粘连在所述接收基材上；所述纳米纤维层与低熔点聚合物纳米纤维膜的材料为聚醋酸乙烯、聚偏氟乙烯、尼龙6、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚己内酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙二醇、聚氨酯、聚砜、聚醚砜中熔融温度相差至少20℃的两种，所述纳米纤维层的材料温度相对高，低熔点聚合物纳米纤维膜的材料温度相对低。
5.如权利要求1～4任一项所述的一种高耐磨抗剥离静电纺纳米纤维复合过滤材料的纺丝方法，采用在接收基材表面经静电纺丝形成纳米纤维层，其特征在于，所述接收基材的表面即接收侧的气压＞1.013×105Pa，所述接收基材的背面的气压为0～1.013×105Pa；且在所述接收基材下方一定区间内的溶剂蒸汽浓度为1～10g/cm3，所述一定区间是指从接收基材表面起算的高度区间，高度取值0.05～5mm。
6.根据权利要求5所述的纺丝方法，其特征在于，在接收基材表面经静电纺丝形成纳米纤维层前，先通过静电纺丝在接收基材表面喷射一层低熔点聚合物纳米纤维膜，再静电纺丝喷射一层纳米纤维层，然后在介于低熔点聚合物纳米纤维膜和纳米纤维层两者熔融温度之间的条件下热烘处理处理，使低熔点聚合物熔融粘结上层纳米纤维层和接收基材。
7.根据权利要求5所述的纺丝方法，其特征在于，在接收基材表面经静电纺丝形成纳米纤维层前，先静电喷雾溶剂到接收基材上，随后静电纺丝一层纳米纤维层，依靠溶剂的作用使纳米纤维层粘连到接收基材上；所述静电喷雾溶剂是指利用高压电场使其带电，以雾滴的形式喷射到接收基材上。
8.根据权利要求5所述的纺丝方法，其特征在于，所述静电纺丝参数为:电压5～70KV，接收距离3～40cm，灌注速度0.1～10ml/h，温度15～35℃，湿度15～90％。
9.根据权利要求5所述的纺丝方法，其特征在于，所述静电纺丝所使用溶剂为乙醇、甲酸、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺，丙酮、氯仿、甲酚、二甲基亚砜、甲苯、N-甲基吡咯烷酮、甲乙酮、甲基乙基酮中的一种或两种以上的混合物。
10.根据权利要求5所述的纺丝方法，其特征在于，所述静电纺丝为平板接收或空心平板装置接收，接收方式为上下接收或左右接收；
所述静电纺丝是将整个纺丝机进行密闭，密闭空间有允许基材进出的1～3mm狭缝，平板装置和密封钢带是空心的，所述密闭纺丝空间上连有气压监测装置和气体补偿装置以及溶剂蒸汽浓度监测装置，所述空心空心平板装置和密封钢带连有气压监测装置和真空泵装置；
或者，所述静电纺丝是将整个纺丝机进行密闭，密闭空间包含基材收放卷装置，平板装置和密封钢带是空心的，所述密闭纺丝空间上连有气压监测装置和气体补偿装置以及溶剂蒸汽浓度监测装置，所述空心空心平板装置和密封钢带连有气压监测装置和真空泵装置；
或所述静电纺丝是将整个纺丝机是进行半密闭，封闭空间不包括空心平板装置和密封钢带，但平板装置和密封钢带与密闭空间的距离在0.5mm～10mm之间调节，平板装置和密封钢带是空心的，所述密闭纺丝空间上连有气压监测装置和气体补偿装置以及溶剂蒸汽浓度监测装置，所述空心空心平板装置和密封钢带连有气压监测装置和真空泵装置。
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