CN111020876A - 一种具有梯度结构的高效过滤材料及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有梯度结构的高效过滤材料，所述具有梯度结构的高效过滤材料是由四层梯度不同孔径的过滤层复合而成，所述第一层过滤层为粗混合针刺毡层、第二层过滤层为细混合针刺毡层、第三层过滤层为微细非织造布层、第四层过滤层为中空静电纺超细纤维层；第一层过滤层至第四层过滤层上的孔径呈梯度逐渐减小。本发明以环保为发明原则，以提高过滤材料效率、强力，增强复合材料连接性为发明目标；采用非织造针刺、湿法成网、热风、中空静电纺技术工艺，保证良好机械强力的同时，引入中空超细纤维层，制得的具有梯度结构的高效过滤材料过滤效果好，滤阻低，且机械性能优异，材料之间依靠自身粘合加固，连接性良好，高效过滤材料可循环再生。

Description

一种具有梯度结构的高效过滤材料及其生产方法
本发明涉及一种具有梯度结构的高效过滤材料，具体涉及一种具有梯度结构的高效过滤材料及其生产方法。
背景技术
随着中空气污染问题得到进一步重视，对于过滤材料的综合指标也有了更高的要求。传统中空气过滤材料的制作大多采用针刺无纺布，在其表面涂覆一层微孔膜，从而具有一定的中空气过滤效果，然而在多次使用后微孔膜与针刺无纺布间的材料连接性显著降低，且微孔膜产生破裂，综合性能较差。目前静电纺丝、熔喷非织造技术已经成熟，超细纤维达微米甚至纳米级，可完全替代微孔膜，具有更高的过滤效率。已有专利介绍静电纺丝高效过滤材料，但其将静电纺丝层置于两层基布之间，没有形成梯度效果，静电纺丝层极易遭受破坏。近年来虽中空气过滤研究诸多，但仍不够完善，如机织布、短纤维水刺非织造布及浸渍复合过滤材料，其成本较高，树脂浸渍后整体孔隙减小，过滤效率较低。另外也有海岛纤维网、普通纤维网、增强织物及普通纤维网梯度过滤材料，采用针刺或水刺对整体进行复合，结果造成材料过于紧密，梯度过滤效果不佳。
发明内容
发明目的：本发明针对目前中空气过滤材料存在问题，提供一种具有梯度结构的高效过滤材料及其生产方法，综合应用针刺、湿法成网、热风、中空静电纺工艺，将四个梯度不同孔径的过滤层复合制得新型高效过滤材料，其各层之间依靠自身材料粘合，引入中空超细纤维层，克重较小、机械性能良好、持久耐用安全环保、过滤效率和透气性优异，总过滤效率达99.99％以上。。
技术方案：本发明所述的一种具有梯度结构的高效过滤材料，所述具有梯度结构的高效过滤材料是由四层梯度不同孔径的过滤层复合而成，所述第一层过滤层为粗混合针刺毡层、第二层过滤层为细混合针刺毡层、第三层过滤层为微细非织造布层、第四层过滤层为中空静电纺超细纤维层；第一层过滤层至第四层过滤层上的孔径呈梯度逐渐减小。
优选的，所述粗混合针刺毡层是由常规粗旦纤维和ES纤维混合制成的针刺毡，所述常规粗旦纤维的粗细为2.5-3D，长度为51mm，针刺毡克重100-150g/m²，经一次针刺工艺成型。
优选的，所述细混合针刺毡层是由常规细旦纤维和ES纤维混合制成的针刺毡，所述常规细旦纤维粗细为1.5-2D，长度为38mm，针刺毡克重60-80g/m²，经二次针刺工艺成型。
优选的，所述微细非织造布层是由常规微细旦纤维和ES纤维混合制成的非织造布层，所述常规微细旦纤维粗细为0.8-1.2D，长度为6-12mm，湿法非织造布克重30g/m²。
优选的，所述粗混合针刺毡层、细混合针刺毡层、微细非织造布层中的ES纤维为双组份低熔点热熔纤维，其芯层为熔点167℃的聚丙烯纤维，皮层为熔点130℃的聚乙烯纤维。
优选的，所述中空静电纺超细纤维层4克重为5-20g/m²，中空静电纺超细纤维层中的纤维原料与常规微细非织造布层中的常规微细旦纤维种类相同。
一种具有梯度结构的高效过滤材料的制备工艺，包括步骤如下：
（1）粗混合针刺毡层制备：将粗细为2.5-3D，长度为51mm的常规粗旦纤维与ES纤维按6:4混合经开松梳理后形成均匀纤网，喂入针刺机经过预针刺及一道针刺得到克重为100-150g/m²的粗混合针刺毡层；
（2）细混合针刺毡层制备：将粗细为1.5-2D，长度为38mm的常规细旦纤维与ES纤维按6:4混合后开松梳理形成均匀纤网，随后经输网帘进入针刺区域，纤维与刺针保持垂直，经两道针刺后制得克重为60-80g/m²的细混合针刺毡层；
（3）微细非织造布层制备：将粗细为0.8-1.2D，长度为6-12mm常规微细旦纤维与ES纤维进行预处理，然后将两种纤维按6:4混合后浸水离散并混入调浆罐调和为均相混合液，混合液浓度为1-3%，混合时间10-20min，在常温下加水进一步稀释、均混至浓度为0.1-0.15%，送入非织造湿法成网***，形成湿纸页，在轧液辊作用下初步去除多余水分，随后在70-90℃的烘箱中烘干得到克重为30g/m2的微细非织造布层；
（4）粘合：将制备好的粗混合针刺毡层、细混合针刺毡层、微细非织造布层依次堆叠在一起，放入烘箱中，使其处于半熔融状态，利用粗混合针刺毡层、细混合针刺毡层、微细非织造布层中ES纤维热熔粘合性能将三片纤网粘合在一起，热风烘箱温度设置成130℃，热风时间约为3min，随后在输网帘作用下进入冷风区域快速定型得到纤网复合体；
（5）中空静电纺超细纤维层制备：将纤维材料与二甲基乙酰胺溶液及助纺剂共混，在转速为300r/min-400r/min的磁力搅拌下搅拌18h-48h得到质量分数为5%-20%的均一纺丝液，将内外径不同的两根金属毛细管以套管方式组装成中空静电纺喷丝头，在电压16-20kV，纺丝液流速0.3-1.0mL/h，中空气流速0.2-0.8mL/h，内管直径0.3-1.0mm，外管直径1-1.8mm，接收距离为10-20cm的条件下，外管注入纺丝液，内管注入中空气流，直接垂直喷射负载在步骤（4）中制得的纤网复合体上最终制得克重为5-20g/m²的中空静电纺超细纤维层，得到具有梯度结构的高效过滤材料。
有益效果，本发明以资源优化利用为原则，揭示了一种具有梯度结构的高效过滤材料，所述效果如下：
（1）本发明采用粗细纤维多层复合制备得到的梯度过滤材料，克重较小，但具有良好的过滤效率和透气性，总过滤效率达99.99％以上；
（2）本发明复合方式无需化学助剂，所述粗混合针刺毡层、细混合针刺毡层、微细非织造布层之间采用热熔自粘合，中空静电纺超细纤维层与微细非织造布层使用同种类常规纤维，纤维层之间连接性良好，持久耐用安全环保；
（3）本发明的过滤材料含有两层针刺毡，机械性能优异；
（4）本发明中空静电纺超细纤维层，其形成的超细纤维层比实心超细纤维层更均匀，纤维交叉缝隙更细，过滤效果更佳；
（5）本发明中的各化学纤维可循环再生利用，降低成本，可持续发展；
（6）本发明采用的制备工艺易操作，可大量生产。
附图说明
图1为本发明的结构剖视图；
1、粗混合针刺毡层；2、细混合针刺毡层；3、微细非织造布层；4、中空静电纺超细纤维层。
具体实施方式
如图1所示一种具有梯度结构的高效过滤材料，所述具有梯度结构的高效过滤材料是由四层梯度不同孔径的过滤层复合而成，所述第一层过滤层为粗混合针刺毡层1，孔径较大；第二层过滤层为细混合针刺毡层2，孔径较小；第三层过滤层为微细非织造布层3，孔径微小；第四层过滤层为中空静电纺超细纤维层4，孔径极小；第一层过滤层至第四层过滤层上的孔径呈梯度逐渐减小；所述粗混合针刺毡层1是由常规粗旦纤维和ES纤维混合制成的针刺毡，所述常规粗旦纤维的粗细为2.5-3D，长度为51mm，针刺毡克重100-150g/m²，经一次针刺工艺成型；所述细混合针刺毡层2是由常规细旦纤维和ES纤维混合制成的针刺毡，所述常规细旦纤维粗细为1.5-2D，长度为38mm，针刺毡克重60-80g/m²，经二次针刺工艺成型；所述微细非织造布层3是由常规微细旦纤维和ES纤维混合制成的非织造布层，所述常规微细旦纤维粗细为0.8-1.2D，长度为6-12mm，湿法非织造布克重30g/m²；，所述粗混合针刺毡层1、细混合针刺毡层2、微细非织造布层3中的ES纤维为双组份低熔点热熔纤维，其芯层为熔点167℃的聚丙烯纤维，皮层为熔点130℃的聚乙烯纤维；所述中空静电纺超细纤维层44克重为5-20g/m²，中空静电纺超细纤维层4中的纤维原料与常规微细非织造布层3中的常规微细旦纤维种类相同，所述粗混合针刺毡层1、细混合针刺毡层2、微细非织造布层3以及中空静电纺超细纤维层4中提及的常规旦纤维为现有技术中的纤维中任意一种，但要满足上述不同层对常规纤维之间的限定。
实例一
一种具有梯度结构的高效过滤材料的制备工艺，包括步骤如下：
（1）粗混合针刺毡层1制备：将粗细为2.5-3D，长度为51mm的聚酯纤维与ES纤维按6:4混合经开松梳理后形成均匀纤网，喂入针刺机经过预针刺及一道针刺得到克重为100-150g/m²的粗混合针刺毡层1；
（2）细混合针刺毡层2制备：将粗细为1.5-2D，长度为38mm的聚酰胺纤维与ES纤维按6:4混合后开松梳理形成均匀纤网，随后经输网帘进入针刺区域，纤维与刺针保持垂直，经两道针刺后制得克重为60-80g/m²的细混合针刺毡层2；
（3）微细非织造布层3制备：将粗细为0.8-1.2D，长度为6-12mm聚丙烯纤维与ES纤维进行预处理，然后将两种纤维按6:4混合后浸水离散并混入调浆罐调和为均相混合液，混合液浓度为1-3%，混合时间10-20min，在常温下加水进一步稀释、均混至浓度为0.1-0.15%，送入非织造湿法成网***，形成湿纸页，在轧液辊作用下初步去除多余水分，随后在70-90℃的烘箱中烘干得到克重为30g/m2的微细非织造布层3；
（4）粘合：将制备好的粗混合针刺毡层1、细混合针刺毡层2、微细非织造布层3依次堆叠在一起，放入烘箱中，使其处于半熔融状态，利用粗混合针刺毡层1、细混合针刺毡层2、微细非织造布层3中ES纤维热熔粘合性能将三片纤网粘合在一起，热风烘箱温度设置成130℃，热风时间约为3min，随后在输网帘作用下进入冷风区域快速定型得到纤网复合体；
（5）中空静电纺超细纤维层4制备：将聚丙烯纤维与二甲基乙酰胺溶液及助纺剂共混，在转速为300r/min-400r/min的磁力搅拌下搅拌18h-48h得到质量分数为5%-20%的均一纺丝液，将内外径不同的两根金属毛细管以套管方式组装成中空静电纺喷丝头，在电压16-20kV，纺丝液流速0.3-1.0mL/h，中空气流速0.2-0.8mL/h，内管直径0.3-1.0mm，外管直径1-1.8mm，接收距离为10-20cm的条件下，外管注入纺丝液，内管注入中空气流，直接垂直喷射负载在步骤（4）中制得的纤网复合体上最终制得克重为5-20g/m²的中空静电纺超细纤维层4，得到具有梯度结构的高效过滤材料。
实例二
一种具有梯度结构的高效过滤材料的制备工艺，包括步骤如下：
（1）粗混合针刺毡层1制备：将粗细为2.5-3D，长度为51mm的聚苯硫醚纤维与ES纤维按6:4混合经开松梳理后形成均匀纤网，喂入针刺机经过预针刺及一道针刺得到克重为100-150g/m²的粗混合针刺毡层1；
（2）细混合针刺毡层2制备：将粗细为1.5-2D，长度为38mm的聚丙烯腈纤维与ES纤维按6:4混合后开松梳理形成均匀纤网，随后经输网帘进入针刺区域，纤维与刺针保持垂直，经两道针刺后制得克重为60-80g/m²的细混合针刺毡层2；
（3）微细非织造布层3制备：将粗细为0.8-1.2D，长度为6-12mm聚四氟乙烯纤维与ES纤维进行预处理，然后将两种纤维按6:4混合后浸水离散并混入调浆罐调和为均相混合液，混合液浓度为1-3%，混合时间10-20min，在常温下加水进一步稀释、均混至浓度为0.1-0.15%，送入非织造湿法成网***，形成湿纸页，在轧液辊作用下初步去除多余水分，随后在70-90℃的烘箱中烘干得到克重为30g/m2的微细非织造布层3；
（4）粘合：将制备好的粗混合针刺毡层1、细混合针刺毡层2、微细非织造布层3依次堆叠在一起，放入烘箱中，使其处于半熔融状态，利用粗混合针刺毡层1、细混合针刺毡层2、微细非织造布层3中ES纤维热熔粘合性能将三片纤网粘合在一起，热风烘箱温度设置成130℃，热风时间约为3min，随后在输网帘作用下进入冷风区域快速定型得到纤网复合体；
（5）中空静电纺超细纤维层4制备：将聚四氟乙烯纤维材料与二甲基乙酰胺溶液及助纺剂共混，在转速为300r/min-400r/min的磁力搅拌下搅拌18h-48h得到质量分数为5%-20%的均一纺丝液，将内外径不同的两根金属毛细管以套管方式组装成中空静电纺喷丝头，在电压16-20kV，纺丝液流速0.3-1.0mL/h，中空气流速0.2-0.8mL/h，内管直径0.3-1.0mm，外管直径1-1.8mm，接收距离为10-20cm的条件下，外管注入纺丝液，内管注入中空气流，直接垂直喷射负载在步骤（4）中制得的纤网复合体上最终制得克重为5-20g/m²的中空静电纺超细纤维层4，得到具有梯度结构的高效过滤材料。
一种具有梯度结构的高效过滤材料，所述优点如下：
（1）本发明采用粗细纤维多层复合制备得到的梯度过滤材料，克重较小，但具有良好的过滤效率和透气性，总过滤效率达99.99％以上；
（2）本发明复合方式无需化学助剂，所述粗混合针刺毡层1、细混合针刺毡层2、微细非织造布层3之间采用热熔自粘合，中空静电纺超细纤维层4与微细非织造布层3使用同种类常规纤维，纤维层之间连接性良好，持久耐用安全环保；
（3）本发明的过滤材料含有两层针刺毡，机械性能优异；
（4）本发明中空静电纺超细纤维层4，其形成的超细纤维层比实心超细纤维层更均匀，纤维交叉缝隙更细，过滤效果更佳；
（5）本发明中的各化学纤维可循环再生利用，可持续发展；
（6）本发明采用的制备工艺易操作，可大量生产。
本发明以环保为发明原则，以提高过滤材料效率、强力，增强复合材料连接性为发明目标；采用非织造针刺、湿法成网、热风、中空静电纺技术工艺，保证良好机械强力的同时，引入中空超细纤维层，有效实现逐级梯度高效过滤且减缓滤阻，极大地提高了过滤效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种具有梯度结构的高效过滤材料，其特征在于：所述具有梯度结构的高效过滤材料是由四层梯度不同孔径的过滤层复合而成，所述第一层过滤层为粗混合针刺毡层、第二层过滤层为细混合针刺毡层、第三层过滤层为微细非织造布层、第四层过滤层为中空静电纺超细纤维层；第一层过滤层至第四层过滤层上的孔径呈梯度逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的高效过滤材料，其特征在于：所述粗混合针刺毡层是由常规粗旦纤维和ES纤维混合制成的针刺毡，所述常规粗旦纤维的粗细为2.5-3D，长度为51mm，针刺毡克重100-150g/m²，经一次针刺工艺成型。
3.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的高效过滤材料，其特征在于：所述细混合针刺毡层是由常规细旦纤维和ES纤维混合制成的针刺毡，所述常规细旦纤维粗细为1.5-2D，长度为38mm，针刺毡克重60-80g/m²，经二次针刺工艺成型。
4.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的高效过滤材料，其特征在于：所述微细非织造布层是由常规微细旦纤维和ES纤维混合制成的非织造布层，所述常规微细旦纤维粗细为0.8-1.2D，长度为6-12mm，湿法非织造布克重30g/m²。
5.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的高效过滤材料，其特征在于：所述粗混合针刺毡层、细混合针刺毡层、微细非织造布层中的ES纤维为双组份低熔点热熔纤维，其芯层为熔点167℃的聚丙烯纤维，皮层为熔点130℃的聚乙烯纤维。
6.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的高效过滤材料，其特征在于：所述中空静电纺超细纤维层4克重为5-20g/m²，中空静电纺超细纤维层中的纤维原料与常规微细非织造布层中的常规微细旦纤维种类相同。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的具有梯度结构的高效过滤材料的制备工艺，其特征在于：包括步骤如下：
（1）粗混合针刺毡层制备：将粗细为2.5-3D，长度为51mm的常规粗旦纤维与ES纤维按6:4混合经开松梳理后形成均匀纤网，喂入针刺机经过预针刺及一道针刺得到克重为100-150g/m²的粗混合针刺毡层；
（2）细混合针刺毡层制备：将粗细为1.5-2D，长度为38mm的常规细旦纤维与ES纤维按6:4混合后开松梳理形成均匀纤网，随后经输网帘进入针刺区域，纤维与刺针保持垂直，经两道针刺后制得克重为60-80g/m²的细混合针刺毡层；
（3）微细非织造布层制备：将粗细为0.8-1.2D，长度为6-12mm常规微细旦纤维与ES纤维进行预处理，然后将两种纤维按6:4混合后浸水离散并混入调浆罐调和为均相混合液，混合液浓度为1-3%，混合时间10-20min，在常温下加水进一步稀释、均混至浓度为0.1-0.15%，送入非织造湿法成网***，形成湿纸页，在轧液辊作用下初步去除多余水分，随后在70-90℃的烘箱中烘干得到克重为30g/m2的微细非织造布层；
（4）粘合：将制备好的粗混合针刺毡层、细混合针刺毡层、微细非织造布层依次堆叠在一起，放入烘箱中，使其处于半熔融状态，利用粗混合针刺毡层、细混合针刺毡层、微细非织造布层中ES纤维热熔粘合性能将三片纤网粘合在一起，热风烘箱温度设置成130℃，热风时间约为3min，随后在输网帘作用下进入冷风区域快速定型得到纤网复合体；
（5）中空静电纺超细纤维层制备：将纤维材料与二甲基乙酰胺溶液及助纺剂共混，在转速为300r/min-400r/min的磁力搅拌下搅拌18h-48h得到质量分数为5%-20%的均一纺丝液，将内外径不同的两根金属毛细管以套管方式组装成中空静电纺喷丝头，在电压16-20kV，纺丝液流速0.3-1.0mL/h，中空气流速0.2-0.8mL/h，内管直径0.3-1.0mm，外管直径1-1.8mm，接收距离为10-20cm的条件下，外管注入纺丝液，内管注入中空气流，直接垂直喷射负载在步骤（4）中制得的纤网复合体上,最终制得克重为5-20g/m²的中空静电纺超细纤维层，得到具有梯度结构的高效过滤材料。
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