CN110694352B

CN110694352B - 一种纳米纤维、其制备方法及制成的复合滤材和应用

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Publication number: CN110694352B
Application number: CN201911060646.8A
Authority: CN
Inventors: 李攀; 石占辉; 刘亚蕾; 王向
Original assignee: Shijiazhuang Chentai Filter Paper Co ltd
Current assignee: Shijiazhuang Chentai Filter Paper Co ltd
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: CN110694352A

Abstract

本发明涉及过滤介质技术领域，具体公开一种纳米纤维，通过高分子成纤材料、粘合剂和有机胺化合物共同作用，静电纺丝可制得具有优异的韧性和强度的纳米纤维。上述纳米纤维复合在基材上得到复合滤材，可用于气体或液体流体过滤，具有结合牢固、防水防油、反吹复原性好等特点。

Description

一种纳米纤维、其制备方法及制成的复合滤材和应用

技术领域

本发明涉及过滤介质技术领域，具体涉及一种纳米纤维、其制备方法以及该纳米纤维制成的复合滤材和应用。

背景技术

无纺布材料是一种重要的过滤材料，广泛应用于气体和液体过滤以及聚结分离。无纺布滤材的纤维直径对过滤性能影响重大。纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大的特点，目前在过滤器材中已有广泛的应用。纳米纤维形成的滤材孔径小，过滤精度高，阻力低，因此在滤材领域一直保持着旺盛的市场需求，据相关统计，纳米纤维材料市场全球需求市值在240亿元以上。但是目前市面上的纳米纤维材料普遍存在缺陷，比如纳米纤维成型不好，存在大量节点，或大片不透气的膜，减小滤材使用面积，影响透气、容尘和效率等滤材性能。再比如粘结度不高，导致纳米纤维在过滤器制造过程中损失大，性能不稳定，或者滤材结构不理想，反吹复原性差，不能发挥纳米复合滤材的优势，又或者纳米和基材设计不匹配，导致纳米产品实际使用性能不好和使用寿命不长等问题。因此，好的纳米纤维滤材，在未来几年势必会成为刚性需求。

发明内容

针对现有纳米纤维性能方面存在缺陷等问题，本发明提供一种纳米纤维，其具有良好的纳米纤维结构，优异的防水性和防油性，过滤性能稳定，反吹复原性好。本发明还提供该纳米纤维的制备方法，以及其制成的滤材和应用。

为达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种纳米纤维，其原料包括以下质量含量的组分：

a)45-74％的高分子成纤材料，选自聚酰胺、聚卤乙烯、聚醋酸乙烯、聚丙烯腈、聚氨酯、聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的至少一种；

b)25-50％的粘合剂，选自聚丙烯酸、聚羧酸、尿素甲醛树脂和三聚氰胺甲醛树脂中的至少一种；以及，

c)0.5-5％的有机胺化合物，选自脂肪族伯二胺、季铵碱、环脒碱和氨基硫醇类化合物中的至少一种。

本发明的纳米纤维中通过加入少量的脂肪族伯二胺、季铵碱、环脒碱或氨基硫醇类化合物等有机胺化合物，能提高选定的高分子成纤材料和粘合剂在溶剂中的溶解度，促进材料之间的交联，形成的纤维形态均一，外壁光滑，具有优异的韧性和强度，过滤效率高，孔径小，阻力低，容尘量高，使用寿命长，防水防油性好，且反吹时滤材表面的颗粒物容易去除，反吹复原性好。意外的是，上述有机胺化合物的加入还使纤维与基材之间的粘结度大大得到了提高，反吹时纤维不易脱落，提高了滤材的使用寿命。

可选地，所述聚卤乙烯为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物、二氟乙烯-三氟乙烯聚合物或聚氯乙烯。

可选地，所述脂肪族伯二胺为己二胺；所述季铵碱为四正丁基氢氧化铵，所述环脒碱为1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯，所述氨基硫醇类化合物为二氨基二硫醇。

上述纳米纤维的制备方法为：将所述组分a)、b)和c)溶于溶剂中得到纺丝液，静电纺丝得到所述纳米纤维。

可选地，根据所选高分子成纤材料和粘结剂的溶解性所述溶剂为偶极非质子溶剂，优选二甲基乙酰胺和二甲基甲酰胺。所述溶剂的用量为原料总质量的70-90％。所选的溶剂和用量即能使高分子成纤材料和粘结剂充分溶解，又能使纺丝液具有适宜的粘度和导电率，保证成纤性和纤维结构良好。

可选地，所述静电纺丝的条件为：

所述纺丝液的粘度为200-2000cps，导电率30-300us/cm；所述静电纺丝的电压为20-80kV；所述纳米纤维的直径为30-300nm。

将所述a)、b)和c)组分通过静电纺丝工艺制备纳米纤维，可将滤材的基材作为接收板置于接收电极之上，纺出的纤维直接在基材上覆盖得到纳米滤材，优选的纺丝液参数和纺丝条件有利于进一步保证纳米纤维和滤材的性能。

基于以上所述，本发明还提供了一种复合滤材，包括基材和覆于基材上的上述纳米纤维。

所述基材可选木浆滤纸、复合滤纸或无纺布等。其中无纺布可为纺粘布或梳理无纺布等。

为了使所述复合滤材的综合性能最优，所述基材的克重优选为10-500gsm，所述纳米纤维的克重优选为0.01-5gsm。

本发明还提供了上述复合滤材在气体或液体流体过滤中的应用，如空气过滤、发动机空滤、工业除尘等，可应用于滤筒或流道式过滤等各种过滤器的制作。基于所述纳米纤维的成型和结构，防水防油性、反吹复原性以及与基材结合的牢固程度，本发明的复合滤材在上述应用场合中具有理想的使用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1的复合滤材放大600倍下的形态图；

图2是本发明实施例1的复合滤材放大1200倍下的形态图；

图3是本发明实施例1的复合滤材放大6000倍下的形态图；

图4是本发明实施例1的复合滤材放大50000倍下的形态图；

图5是本发明对比例1复合滤材放大500倍的形态图；

图6是本发明对比例1复合滤材放大1000倍的形态图；

图7是本发明对比例2复合滤材放大1200倍的形态图；

图8是本发明对比例2复合滤材放大6000倍的形态图；

图9是本发明实施例1复合滤材反吹前的形态图；

图10是本发明实施例1复合滤材反吹后的形态图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中没有特殊说明的均为本领域的常规原料，可通过市售购得，具体原料型号并不构成对原料的限定。

实施例1

按照以下质量比取各原料：55％聚偏氟乙烯(Arkema Kynar 761A)，45％三聚氰胺甲醛树脂(DY104)，5％1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)，加入溶剂二甲基乙酰胺(DMAC)中，溶剂用量为原料总质量的85％，搅拌使其溶解得到纺丝液，测得粘度为1616cps，导电率为153.8us/cm。使用上述纺丝液进行静电纺丝，参数如下：电压30V，将克重115gsm(透气150L/min@200Pa)的木浆&PET复合滤纸基材布置于接收电极上，纳米纤维在基材上沉积后形成复合滤材，沉积的纳米纤维克重0.1gsm，纤维直径140-190nm。复合滤材在不同倍数下的电镜图如图1-图4所示，可见本发明的纳米纤维成型好，形态均一，粗细均匀，纤维无节点，纤维无并联粘结等情况，在基材上均匀分布。

采用以下方法进行纳米纤维防水测试以及与基材的粘结度测试：

纳米纤维防水测试：用滴管将纯净水滴到纳米纤维表面，水滴30分钟内不进入纤维层，并在表面与纳米层形成的接触角大于30°，则视为防水。

纳米牢固度及与基材粘接度测试：用毛刷来回(轻)刷复合滤材纳米表面，测原始状态和刷后的滤材过滤效率变化情况。如果过滤效率在开始(10次)衰减小于60％,后衰减缓慢平稳，100次之后效率还能保持40％以上，则视为纳米牢固且与基材粘结牢固。通过以上测试得知，本发明的纳米纤维还具有防水，足够的强度和韧性，并与基材的附着力强的特点。在实验室测试和实际使用中均呈现出良好的过滤性能和可靠性。

对比例1

在实施例1的基础上不添加DBU，其余原料与实施例1相同，按照相同的工艺进行静电纺丝，得到复合滤材，由图5和图6可见，滤材上的纳米纤维分布不均，呈现较多块状。

对比例2

在实施例1的基础上用双酚A型环氧树脂替换三聚氰胺甲醛树脂，其余原料与实施例1相同，按照相同的工艺进行静电纺丝，得到复合滤材，纤维成型良好，防水性好，但在基材上分布也不均匀，如图7和图8所示。

实施例2

按照以下质量比取各原料：24％聚氯乙烯(SLK-1000)，24％偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物(Solef 21216)，51.4％聚丙烯酸(Neocryl B-725)，0.6％DBU，加入溶剂DMF中，溶剂用量为原料总质量的83％，搅拌使其溶解得到纺丝液，测得粘度为1142cps，导电率为124.1us/cm。使用上述纺丝液进行静电纺丝，参数如下：电压40V，将克重115gsm的基材木浆滤纸置于接收板上，纳米纤维在基材上沉积后形成复合滤材，纳米纤维克重0.12gsm，纤维直径140-180nm。

实施例3

按照以下质量比取各原料：25％聚偏氟乙烯(Solvay Solef 6010)，25％聚丙烯腈(P30T)，49.5％尿素甲醛树脂(M-103A)，0.5％DBU，加入溶剂DMF中，溶剂用量为原料总质量的90％，搅拌使其溶解得到纺丝液，测得粘度为800cps，导电率为183us/cm。使用上述纺丝液进行静电纺丝，参数如下：电压35V，将克重115gsm的滤纸基材置于接收板上，纳米纤维在基材上沉积后形成复合滤材，纳米纤维克重0.12gsm，纳米纤维成型好，纤维直径140-210nm。

实施例4

本实施例中纳米纤维的原料组成如下：70％聚偏氟乙烯(Solvay Solef 6010)，26％聚丙烯酸(Neocryl B-725)，1％DBU，3％二氨基二硫醇。纳米纤维和复合滤材的制备方法同实施例1。

实施例5

本实施例中纳米纤维的原料组成如下：20％聚氨酯(巴斯夫1180A)，30％聚偏氟乙烯(Solvay Solef 6010)，48％聚丙烯酸(Neocryl B-725)，0.5％DBU，1.5％四正丁基氢氧化铵。纳米纤维和复合滤材的制备方法同实施例1，复合滤材中纳米纤维的克重为0.05gsm。

实施例6

本实施例中纳米纤维的原料组成如下：50％聚偏氟乙烯(Arkema Kynar 761A)，49％聚丙烯酸(Neocryl B-725)，1％己二胺。纳米纤维和复合滤材的制备方法同实施例1，复合滤材中纳米纤维的克重为1.0gsm。

试验例1

将实施例1-6以及对比例1-2的纳米纤维和复合滤材用于空气过滤性能测试台测试，过滤面积0.02m²，空气流速2.10m³/h，在温度22±5℃，湿度30％±10％，正常大气压下，用TOPAS效率方法测定0.4μm下的过滤效率，效率测试用颗粒物为DEHS油滴，用TOPAS容尘测试方法进行容尘测试，测试用过滤物为ISO A2细粉尘，浓度为1000mg/m³。结果如表1所示。

表1过滤效率和容尘试验结果

试验例2

将实施例1-6以及对比例1-2的纳米纤维和复合滤材用于脉冲清洁测试，实验用灰：A2细灰，实验面积0.2㎡(实际实验面积为0.177㎡)，发灰浓度：5000㎎/㎡，实验流量2.1m³/h。

实验共分为4个阶段：第一阶段反吹30次，反吹条件为当容尘到压差上升至1000Pa时反吹1次；第二阶段反吹10000次，边发尘边反吹，反吹条件为每5s反吹1次，第二阶段结束条件为：①中途压差达到1000Pa，实验全部结束；②反吹10000次后压差未达到1000Pa；第三阶段反吹10次，反吹条件为当容尘到压差上升至1000Pa时反吹1次；第四阶段反吹30次，反吹条件为当容尘到压差上升至1000Pa时反吹1次。

记录比较第二阶段结束时的压差(dP)，第四阶段结束时的压差和第四阶段第一次和第三十次发灰至1000Pa时的容尘时间(duration)，如表2所示。

表2脉冲清洗实验结果

由以上试验例可见，本发明的纳米纤维和复合滤材具有优异的空气过滤性能和反吹复原性，脉冲清洁前后的形态图分别如图9和图10所示，而对比例1和2的上述效果则明显劣于本发明的实施例1-6。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于发动机空滤、工业除尘或燃气轮机进气***过滤的纳米纤维，其特征在于，其原料包括以下质量含量的组分：

c)0.5-5％的有机胺化合物，选自脂肪族伯二胺、季铵碱、环脒碱和氨基硫醇类化合物中的至少一种；所述脂肪族伯二胺为己二胺；所述季铵碱为四正丁基氢氧化铵，所述环脒碱为1，8-二氮杂二环十一碳-7-烯，所述氨基硫醇类化合物为二氨基二硫醇；

所述纳米纤维的制备方法为将所述组分a)、b)和c)溶于溶剂中得到纺丝液，静电纺丝得到所述纳米纤维；所述溶剂为偶极非质子溶剂，所述溶剂的用量为原料总质量的70-90％。

2.如权利要求1所述的用于发动机空滤、工业除尘或燃气轮机进气***过滤的纳米纤维，其特征在于，所述聚卤乙烯为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯聚合物、二氟乙烯-三氟乙烯聚合物或聚氯乙烯。

3.权利要求1或2所述的用于发动机空滤、工业除尘或燃气轮机进气***过滤的纳米纤维的制备方法，其特征在于，将所述组分a)、b)和c)溶于溶剂中得到纺丝液，静电纺丝得到所述纳米纤维；所述溶剂为偶极非质子溶剂，所述溶剂的用量为原料总质量的70-90％。

4.如权利要求3所述的用于发动机空滤、工业除尘或燃气轮机进气***过滤的制备方法，其特征在于，所述纺丝液的粘度为200-2000cps，导电率30-300us/cm；和/或：

所述静电纺丝的电压为20-80kV；和/或：

所述纳米纤维的直径为30-300nm。

5.一种用于发动机空滤、工业除尘或燃气轮机进气***过滤的复合滤材，其特征在于，包括基材和覆于基材上的权利要求1或2所述的纳米纤维。

6.如权利要求5所述的用于发动机空滤、工业除尘或燃气轮机进气***过滤的复合滤材，其特征在于，所述基材选自木浆滤纸、复合滤纸和无纺布中的至少一种。

7.如权利要求5所述的用于发动机空滤、工业除尘或燃气轮机进气***过滤的复合滤材，其特征在于，所述纳米纤维的克重为0.01-5gsm。