CN105080220B - 一种空气过滤材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种空气过滤材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种空气过滤材料,包括基材、镶嵌在基材表面的晶核和生长在晶核上的纳米氧化锌晶体棒,所述基材为熔喷无纺布,所述晶核材质为纳米电气石,所述晶核由亲水半球和亲油半球组成,所述亲油半球镶嵌在基材内,所述亲水半球裸露在基材表面。本发明还涉及一种空气过滤材料的制备方法和应用。本发明中空气过滤材料阻力低、过滤效率高、净化效果好,具有良好的市场前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种过滤材料,特别是,涉及一种空气过滤材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前,市场上用于空气过滤的材料主要有三种:化纤复合滤材、PTFE覆膜滤材和玻纤滤材。玻纤滤材、PTFE覆膜滤材因其纯物理过滤的拦截机理,导致在使用过程中阻力较高,能耗较大。化纤复合滤材的过滤机理既包含物理过滤,又包含静电吸附,阻力较低,能耗较小。以对0.3um粒子的拦截效率为例,在32L/min的流量下,滤效达到99.97%的PTFE覆膜滤材的初阻力约为250Pa,玻纤滤材的初阻力约为300Pa,而通过驻极处理的化纤复合滤材约为70Pa。针对实际应用的不同要求,PTFE覆膜过滤器和玻纤过滤器主要应用于工业和医疗领域,化纤复合滤材却占据着民用和家用的大部分市场。随着人们环保意识的逐步增强和国家环保法律法规的贯彻,民用空气过滤装置必将成为一大发展导向。像大多数民用家电一样,节能环保也必将成为考核今后空气过滤装置的一项重要指标,这势必对空气过滤材料提出了更高的高效低阻性能要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种阻力低、过滤效率高、净化效果好的空气过滤材料。
为解决上述问题,本发明所采用的技术方案如下:
一种空气过滤材料,包括基材、镶嵌在基材表面的晶核和生长在晶核上的纳米氧化锌晶体棒,所述基材为熔喷无纺布,所述晶核材质为纳米电气石,所述晶核由亲水半球和亲油半球组成,所述亲油半球镶嵌在基材内,所述亲水半球裸露在基材表面。
优选的,所述晶核粒径为50~300nm。
优选的,所述纳米氧化锌晶体棒为絮状结构,长度500~2000nm。
一种空气过滤材料的制备方法,包括以下步骤:
1)晶核制备:用偶联剂对纳米电气石进行表面处理,获得由亲水半球和亲油半球组成的晶核;
2)造粒:将步骤1)获得的晶核与聚丙烯熔喷专用料共混后熔融挤出造粒,得到掺杂晶核的中间颗粒;
3)成布:将步骤2)获得的中间颗粒进行熔融纺丝,制得表面镶嵌有晶核的熔喷无纺布;
4)纳米氧化锌晶体棒的原位生长:在步骤3)获得的熔喷无纺布表面的晶核上进行纳米氧化锌晶体棒的生长,获得表面生长有絮状纳米氧化锌晶体棒的熔喷无纺布。
5)加电处理:将步骤4)获得的熔喷无纺布经驻极设备加电处理,即得所述空气过滤材料。
进一步,所述步骤1)中偶联剂为三甲氧基硅氧烷、三乙氧基硅氧烷和钛酸酯偶联剂中任一种或几种,所述晶核粒径为50~300nm。
进一步,所述步骤2)中,中间颗粒的熔融挤出温度为200~280℃;所述晶核重量占晶核与聚丙烯熔喷专用料总重量的0.1%~0.5%。
进一步,所述步骤3)中熔融纺丝时喷头温度为230~300℃,热风温度为250~310℃,成网速度为4~9m/min。
进一步,所得步骤4)中,纳米氧化锌晶体棒的原位生长工艺为:将步骤3)获得的熔喷无纺布浸渍于生长溶液中,浸渍2h~3h后取出烘干;所述生长溶液为含锌盐的乙醇水溶液,所述锌盐为六水合硝酸锌,乙醇用量为生长溶液质量分数的0.5%~5%,锌离子浓度为0.1~0.3mol/L,浸渍时温度为80~110℃。
进一步,所述步骤5)中加电处理中驻极方式为电晕驻极,所述驻极电压为-65~-80kv。
本发明还公开了一种空气过滤材料在空气过滤器中的应用。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
1、本发明采用纳米级电气石进行预处理,使其具有半亲水半亲油的特性,并直接掺杂于聚丙烯熔喷专用料中,作为驻极体应用于过滤材料,一方面可提高过滤材料的带电性,另一方面熔喷无纺布表面镶嵌式结构,生成结晶晶核,为后续纳米氧化锌晶体棒提供基础;
2、本发明与传统纳米电气石共混于聚丙烯熔喷专用料中相比,此种方式可以使纳米电气石全部附着于纤维表面,提高纳米电气石的有效利用率;
3、本发明采用原位生长的方式,在熔喷无纺布表面生长出絮状纳米氧化锌晶体棒,生长过程更稳定,使得纳米氧化锌的形貌和分布具有一定的可控性,获得的空气过滤材料对尘埃粒子的物理拦截效率更高效;
4、本发明采用锌盐的乙醇溶液实现氧化锌的析出和结晶,无需前期制造氧化锌悬浮液,方法简单,成本较低;
5、与传统化学纤维过滤材料、PTFE膜材料、玻璃纤维过滤材料相比,本发明中空气过滤材料能有效提升过滤材料的过滤性能,同时有效降低材料的阻力,具有更好的净化效果。
附图说明
图1为本发明空气过滤材料结构示意图;
图2为本发明中晶核结构示意图;
图3为本发明中空气过滤材料电镜图;
其中,1为基材、2为晶核、201为亲油半球、202为亲水半球、3为纳米氧化锌晶体棒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、2所示,为本发明中空气过滤材料,包括基材1、镶嵌在基材1表面的晶核2和生长在晶核2上的纳米氧化锌晶体棒3,基材1为熔喷无纺布,晶核2材质为纳米电气石,晶核2由亲水半球202和亲油半球201组成,亲油半球201镶嵌在基材1内,亲水半球202裸露在基材1表面。
电气石是一种以含硼为特征的结构十分复杂的硅酸盐矿物,其化学通式为:XY3Z6[Si6O18][BO3]3W4(X的位置主要为Na+、Ca2+、K+;Y的位置主要为Mg2+、Fe3+、Al3+;W的位置则主要为O-、OH-、F-所占据),亲水半球202为表面未被偶联剂修饰的纳米电气石的部分,其亲油效果较差;亲油半球201为表面被偶联剂修饰的纳米电气石的部分,其具有很好的亲油性。
实施例1
制备空气过滤材料,包括以下步骤:
1)晶核制备:用偶联剂对纳米电气石进行表面处理,获得由亲水半球和亲油半球组成的晶核,亲水半球为表面未被偶联剂修饰的纳米电气石的部分,亲油半球为表面被偶联剂修饰的纳米电气石的部分,其中,偶联剂为三甲氧基硅氧烷,所述晶核粒径为50nm;
2)造粒:将步骤1)获得的晶核与聚丙烯熔喷专用料共混后熔融挤出造粒,得到掺杂晶核的中间颗粒;其中,中间颗粒的熔融挤出温度为200℃;所述晶核重量占晶核与聚丙烯熔喷专用料总重量的0.5%;
3)成布:将步骤2)获得的中间颗粒进行熔融纺丝,此时,晶核在亲水半球的作用下迁移到纤维表面,制得表面镶嵌有晶核的熔喷无纺布;其中,熔融纺丝时喷头温度为230℃,热风温度为310℃,成网速度为4m/min;
4)纳米氧化锌晶体棒的原位生长:将步骤3)获得的熔喷无纺布浸渍于生长溶液中进行纳米氧化锌晶体棒的生长,浸渍3h后取出烘干,获得表面生长有絮状纳米氧化锌晶体棒的熔喷无纺布;其中,所述生长溶液为含锌盐的乙醇水溶液,所述锌盐为六水合硝酸锌,乙醇用量为生长溶液质量分数的0.5%,锌离子浓度为0.1mol/L,浸渍时温度为110℃;
5)加电处理:将步骤4)获得的熔喷无纺布经驻极设备加电处理,驻极方式为电晕驻极,所述驻极电压为-80kv,即得所述空气过滤材料,其上纳米氧化锌晶体棒为絮状结构,长度500nm。
实施例2
制备空气过滤材料,包括以下步骤:
1)晶核制备:用偶联剂对纳米电气石进行表面处理,获得由亲水半球和亲油半球组成的晶核,亲水半球为表面未被偶联剂修饰的纳米电气石的部分,亲油半球为表面被偶联剂修饰的纳米电气石的部分;其中,偶联剂为三乙氧基硅氧烷和钛酸酯偶联剂的混合物;所述晶核粒径为150nm;
2)造粒:将步骤1)获得的晶核与聚丙烯熔喷专用料共混后熔融挤出造粒,得到掺杂晶核的中间颗粒;其中,中间颗粒的熔融挤出温度为250℃;所述晶核重量占晶核与聚丙烯熔喷专用料总重量的0.3%;
3)成布:将步骤2)获得的中间颗粒进行熔融纺丝,此时,晶核在亲水半球的作用下迁移到纤维表面,制得表面镶嵌有晶核的熔喷无纺布;其中,熔融纺丝时喷头温度为260℃,热风温度为280℃,成网速度为6m/min;
4)纳米氧化锌晶体棒的原位生长:将步骤3)获得的熔喷无纺布浸渍于生长溶液中进行纳米氧化锌晶体棒的生长,浸渍2.5h后取出烘干,获得表面生长有絮状纳米氧化锌晶体棒的熔喷无纺布;其中,所述生长溶液为含锌盐的乙醇水溶液,所述锌盐为六水合硝酸锌,乙醇用量为生长溶液质量分数的1.5%,锌离子浓度为0.2mol/L,浸渍时温度为95℃;
5)加电处理:将步骤4)获得的熔喷无纺布经驻极设备加电处理,驻极方式为电晕驻极,所述驻极电压为-70kv,即得所述空气过滤材料,其上纳米氧化锌晶体棒为絮状结构,长度1200nm。
实施例3
制备空气过滤材料,包括以下步骤:
1)晶核制备:用偶联剂对纳米电气石进行表面处理,获得由亲水半球和亲油半球组成的晶核,亲水半球为表面未被偶联剂修饰的纳米电气石的部分,亲油半球为表面被偶联剂修饰的纳米电气石的部分;其中,偶联剂为钛酸酯偶联剂,所述晶核粒径为200nm;
2)造粒:将步骤1)获得的晶核与聚丙烯熔喷专用料共混后熔融挤出造粒,得到掺杂晶核的中间颗粒;其中,中间颗粒的熔融挤出温度为230℃;所述晶核重量占晶核与聚丙烯熔喷专用料总重量的0.3%;
3)成布:将步骤2)获得的中间颗粒进行熔融纺丝,此时,晶核在亲水半球的作用下迁移到纤维表面,制得表面镶嵌有晶核的熔喷无纺布;其中,熔融纺丝时喷头温度为280℃,热风温度为290℃,成网速度为7m/min;
4)纳米氧化锌晶体棒的原位生长:将步骤3)获得的熔喷无纺布浸渍于生长溶液中进行纳米氧化锌晶体棒的生长,浸渍2h后取出烘干,获得表面生长有絮状纳米氧化锌晶体棒的熔喷无纺布;其中,所述生长溶液为含锌盐的乙醇水溶液,所述锌盐为六水合硝酸锌,乙醇用量为生长溶液质量分数的3%,锌离子浓度为0.3mol/L,浸渍时温度为100℃;
5)加电处理:将步骤4)获得的熔喷无纺布经驻极设备加电处理,驻极方式为电晕驻极,所述驻极电压为-70kv,即得所述空气过滤材料,其上纳米氧化锌晶体棒为絮状结构,长度1500nm。
实施例4
制备空气过滤材料,包括以下步骤:
1)晶核制备:用偶联剂对纳米电气石进行表面处理,获得由亲水半球和亲油半球组成的晶核,亲水半球为表面未被偶联剂修饰的纳米电气石的部分,亲油半球为表面被偶联剂修饰的纳米电气石的部分;其中,偶联剂为三甲氧基硅氧烷、三乙氧基硅氧烷和钛酸酯偶联剂混合物,所述晶核粒径为300nm;
2)造粒:将步骤1)获得的晶核与聚丙烯熔喷专用料共混后熔融挤出造粒,得到掺杂晶核的中间颗粒;其中,中间颗粒的熔融挤出温度为280℃;所述晶核重量占晶核与聚丙烯熔喷专用料总重量的0.5%;
3)成布:将步骤2)获得的中间颗粒进行熔融纺丝,此时,晶核在亲水半球的作用下迁移到纤维表面,制得表面镶嵌有晶核的熔喷无纺布;其中,熔融纺丝时喷头温度为300℃,热风温度为310℃,成网速度为9m/min;
4)纳米氧化锌晶体棒的原位生长:将步骤3)获得的熔喷无纺布浸渍于生长溶液中进行纳米氧化锌晶体棒的生长,浸渍3h后取出烘干,获得表面生长有絮状纳米氧化锌晶体棒的熔喷无纺布;其中,所述生长溶液为含锌盐的乙醇水溶液,所述锌盐为六水合硝酸锌,乙醇用量为生长溶液质量分数的5%,锌离子浓度为0.1mol/L,浸渍时温度为110℃;
5)加电处理:将步骤4)获得的熔喷无纺布经驻极设备加电处理,驻极方式为电晕驻极,所述驻极电压为-65kv,即得所述空气过滤材料,其上纳米氧化锌晶体棒3为絮状结构,长度2000nm。
将实施例1-4获得的空气过滤材料分别在32L/min的流量下测试,对0.3um NaCl的一次性过滤效率为均达到99.99%以上,阻力为32Pa以下,与传统化学纤维过滤材料、PTFE膜材料、玻璃纤维过滤材料相比,本发明中空气过滤材料能有效提升过滤性能,同时有效降低阻力,降低能耗,且具有更好的净化效果。
本发明中空气过滤材料可以作为空气过滤器中过滤层使用,采用本发明中空气过滤材料的空气过滤器其过滤性能优秀,同时阻力低,具有更好的净化效果,且在能耗方面有显著降低。
对本领域的技术人员来说,可根据以上描述的技术方案以及构思,做出其它各种相应的改变以及形变,而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种空气过滤材料,其特征在于,包括基材、镶嵌在基材表面的晶核和生长在晶核上的纳米氧化锌晶体棒,所述基材为熔喷无纺布,所述晶核材质为纳米电气石,所述晶核由亲水半球和亲油半球组成,所述亲油半球镶嵌在基材内,所述亲水半球裸露在基材表面。
2.如权利要求1所述的空气过滤材料,其特征在于,所述晶核粒径为50~300nm。
3.如权利要求1或2所述的空气过滤材料,其特征在于,所述纳米氧化锌晶体棒为絮状结构,长度500~2000nm。
4.权利要求1所述空气过滤材料的制备方法,包括以下步骤:
1)晶核制备:用偶联剂对纳米电气石进行表面处理,获得由亲水半球和亲油半球组成的晶核;
2)造粒:将步骤1)获得的晶核与聚丙烯熔喷专用料共混后熔融挤出造粒,得到掺杂晶核的中间颗粒;
3)成布:将步骤2)获得的中间颗粒进行熔融纺丝,制得表面镶嵌有晶核的熔喷无纺布;
4)纳米氧化锌晶体棒的原位生长:纳米氧化锌围绕在步骤3)获得的熔喷无纺布表面的晶核上进行原位结晶生长,获得表面生长有絮状纳米氧化锌晶体棒的熔喷无纺布;
5)加电处理:将步骤4)获得的熔喷无纺布经驻极设备加电处理,即得所述空气过滤材料。
5.如权利要求4所述的空气过滤材料的制备方法,其特征在于,所述步骤1)中偶联剂为三甲氧基硅氧烷、三乙氧基硅氧烷和钛酸酯偶联剂中任一种或几种,所述晶核粒径为50~300nm。
6.如权利要求4所述的空气过滤材料的制备方法,其特征在于,所述步骤2)中,中间颗粒的熔融挤出温度为200~280℃;所述晶核重量占晶核与聚丙烯熔喷专用料总重量的0.1%~0.5%。
7.如权利要求4所述的空气过滤材料的制备方法,其特征在于,所述步骤3)中熔融纺丝时喷头温度为230~300℃,热风温度为250~310℃,成网速度为4~9m/min。
8.如权利要求4所述的空气过滤材料的制备方法,其特征在于,所得步骤4)中,纳米氧化锌晶体棒的原位生长工艺为:将步骤3)获得的熔喷无纺布浸渍于生长溶液中,浸渍2h~3h后取出烘干;所述生长溶液为含锌盐的乙醇水溶液,所述锌盐为六水合硝酸锌,乙醇用量为生长溶液质量分数的0.5%~5%,锌离子浓度为0.1~0.3mol/L,浸渍时温度为80~110℃。
9.如权利要求4-8任一项所述的空气过滤材料的制备方法,其特征在于,所述步骤5)中加电处理中驻极方式为电晕驻极,所述驻极电压为-65~-80kv。
10.权利要求1所述空气过滤材料在空气过滤器中的应用。
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