CN112619322A - 一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空气过滤材料，具体涉及一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法。本发明选用半纤维素和纤维素作为基材，先络合，再进行聚合，最后进行溶解、复配、制膜，成膜后的可获得机械性能较好，过滤效果好，同时透气性好的空气过滤膜，可代替溶喷布使用于卫生防护用品上。

Description

一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法

技术领域

本发明属于空气过滤材料，具体涉及一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法。

背景技术

空气污染，又称为大气污染，是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境的现象。即空气中含有一种或多种污染物，其存在的量、性质及时间会伤害到人类、植物及动物的生命，损害财物、或干扰舒适的生活环境。

现在由于装修、家用化学品、香烟雾等的影响，使得室内环境污染成为继“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”之后的第三代污染。口罩是居家“抗疫”的常见物品。医用外科口罩可以阻挡70%的微细颗粒，能满足一般防护需要，制作材料主要是聚丙烯。聚丙烯熔喷无纺布材料已经大量应用于医疗卫生健康防护领域以及空气净化滤网，如PM2.5口罩、医疗一次性口罩。通常，为提升材料的过滤效率会降低纤维细度、提高纤维紧密度，有效地解决了PM2.5和细菌的问题。

现有技术中，普通的纱布等材料由于其空隙的孔径太大，根本无法阻挡PM2.5的通过；而现有的专业过滤装置外观较为庞大，不好携带，限制了其应用；同时专业过滤装置的关键部件是吸附材料，现有的吸附材料有活性炭、活性氧化铝、硅胶、沸石和纳米级二氧化钛等，在空气净化行业，最常用的是活性炭。活性炭是用有机含碳材料炭化、活化而成的，其具有发达的空隙结构，绝大部分孔径＜0.05μm；且比表面积高达1000～2000m2/g。但现有的吸附材料在保证过滤效果的同时，通气性差，气体通过的阻力大，尤其是作为口罩中的过滤材料，吸气阻力大，造成无法长时间使用。因此，如何开发一种过滤效果好，同时透气性好的空气过滤膜是本领域一个亟待解决的问题。

发明公开：CN112143412A，公开了一种可重复水洗的空气过滤材料及其制备方法。所述空气过滤材料包括熔喷布、聚四氟乙烯过滤膜以及位于所述熔喷布与所述聚四氟乙烯过滤膜之间的复合粘接剂，所述复合粘接剂包括以下组分：乙烯-醋酸乙烯共聚物24～28重量份，聚甲基丙烯酸甲酯17～20重量份，低密度聚乙烯15～18重量份，萜烯树脂9～12重量份，石蜡3～6重量份，邻苯二甲酸二己酯2～3.5重量份。根据本发明的空气过滤材料经过多次水洗也不会降低复合强度，并且仍然具有较高的过滤效率和较低的空气阻力。此外，本发明还提供了上述空气过滤材料的制备方法，所述制备方法操作简捷高效，易于自动化生产。

发明公开：CN106283404A，公开了一种制备纳米银掺混天然纤维素熔喷不织布的方法，是以聚乙烯醇（PVA）粉体加入纯水制成凝胶态的保护剂，再加入硝酸银3）及硼氢化钠（NaBH4），使该聚乙烯醇保护剂与硝酸银还原形成纳米银溶胶，接着，将该纳米银溶胶加入木浆与氧化甲基吗琳相混合溶解的纤维素浆液内，经去除水分后形成纳米银天然纤维素的粘液(dope)，再以熔喷方式(meltblown)将粘液从纺口挤压出来形成长纤维素丝束，最后经由再生、水洗、水针轧、干燥及卷取等程序后，即可制得具有抗静电及抗菌功能的纳米银天然纤维素熔喷不织布。

发明公开：CN106591984A，公开了一种制备石墨烯掺混天然纤维素熔喷不织布的方法，是以石墨粉做为制备出石墨烯水溶液的原料，再将石墨烯水溶液加入木浆与氧化甲基玛琳混合溶解的浆液内，并去除其水份后形成纺丝粘液后，以熔喷方式(meltblown)直接制得石墨烯天然纤维素不织布；其不需再经过还原制程的程序以及使用还原制程所需的高毒性水合肼溶液，也不会有因使用高毒性水合肼溶液，所导致操作人员吸入或皮肤接触出现头晕、恶心等的健康危害发生，另可藉由制程中增加石墨烯水溶液添加的比例，来达成控制其抗静电性能及导热功能的效果，可以满足不同消费端对抗静电程度及导热功能的要求，且其使用丢弃后又可被自然分解，而成为无害自然环境的环保纤维不织布。

上述专利分别采用不同原料（乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、低密度聚乙烯、萜烯树脂、石蜡、邻苯二甲酸二己酯、纳米银、石墨烯、天然纤维素等）制备熔喷材料，本申请文件中主要采用蔗渣碱法预提取的半纤维素和来自造纸厂抄纸网部的白水经纤维回收机或圆网浓缩机过滤获得的针叶木浆或构皮浆的细小纤维作为空气滤膜的基材，上述基材均来自废液中，有利于生物质资源的有效高附加值利用。上述专利均未提及采用本申请文件所述的原料组成：半纤维素、纤维素、增塑剂、抗菌剂、聚乙烯醇，也未对本申请文件中熔喷材料的制备方法有任何技术启示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有的吸附材料在保证过滤效果的同时，通气性差，气体通过的阻力大，尤其是作为口罩中的过滤材料，吸气阻力大，造成无法长时间使用的问题，本发明提供了一种通气性好，气体通过的阻力小，可长时间使用的空气过滤膜及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案是：

一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，由以下原料组成：半纤维素、纤维素、增塑剂、抗菌剂、聚乙烯醇。

所述半纤维素为蔗渣碱法预提取的半纤维素，重均相对分子质量为40000。

所述蔗渣碱法预提取为当碱浓在40～80g/L范围，固液比1:4，抽提时间2～3h，抽提温度90～100℃。

所述纤维素为来自造纸厂抄纸网部的白水经纤维回收机或圆网浓缩机过滤获得的针叶木浆或构皮浆的细小纤维。

所述增塑剂为甘油、山梨醇、乙二醇、聚乙二醇中一种。

所述抗菌剂为纳米二氧化钛、植酸、山梨酸中一种。

所述聚乙烯醇分子量为1750、1788或1799中的一种或多种混合。

所述的一种代替熔喷布的空气过滤膜其定量为30～40g/m2。

所述的一种代替熔喷布的空气过滤膜其过滤95%的非油性颗粒物。

所述的一种代替熔喷布的空气过滤膜的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）将半纤维素溶解后加入催化剂和丙烯酰胺单体在温度为40～60℃、反应时间为120～180min进行聚合；

（2）将上述步骤（1）的半纤维素聚合物在反应结束后，冷却至室温，沉淀、洗涤，在温度为45～60℃，时间为6～48h真空干燥；

（3）将上述步骤（2）的半纤维素加入硼酸在50～70℃、300～500rpm下搅拌溶解，制得半纤维素溶解液；

（4）将上述步骤（3）的半纤维素溶解液中加入纤维素、增塑剂、抗菌剂，在50～70℃、300～500rpm下匀速搅拌溶解后保温待用；

（5）将聚乙烯醇按固液比1：20～30溶解于去离子水中制备均匀透明聚乙烯醇溶液；

（6）将上述步骤（5）的聚乙烯醇溶液加入步骤（4）的混合液中搅拌均匀，然后调节pH值为6.5～7.5，负压脱气3～5min；

（7）用步骤（6）溶液制膜，成型后在80℃下干燥4～8小时，即得一种代替熔喷布的空气滤膜；

所述步骤（1）中所述催化剂为过硫酸钾和硫代硫酸钠的混合物；

所述过硫酸钾和硫代硫酸钠的摩尔比为1:1；

所述催化剂的用量为半纤维素质量的3％；

所述步骤（1）中所述丙烯酰胺的用量为半纤维素质量的5倍；

所述步骤（2）中所述沉淀所用的溶剂为四氢呋喃、无水乙醇、甲醇或丙酮；

所述洗涤的洗涤剂为丙酮、甲醇或无水乙醇。

所述半纤维素聚合后的接枝率大于70%。

本发明的有益技术效果是：

（1）本发明选用半纤维素和纤维素作为基材，先聚合，再进行络合，最后进行溶解、复配、制膜，成膜后的可获得机械性能较好，过滤效果好，同时透气性好的空气过滤膜，可代替溶喷布使用于卫生防护用品上；

（2）本发明所述的一种代替熔喷布的空气滤膜强度和透明度较现有熔喷布高，工艺和配方简单，基料和助剂用量少，便于工业化生产推广；

（3）本发明中半纤维素聚合后有较高的接枝率和接枝效率，成膜后强度较高；

（4）本发明中半纤维素加入硼酸容易溶解络合，形成互联网状结构，提高细小纤维留着率，成形后易形成空气滤膜；

（5）本发明采用不同长度级别的纤维素（细小纤维）作为增强材料，并配合加热匀速搅拌，使之形成立体骨架结构，并有利于提高薄膜的硬度、拉伸强度等，增强薄膜的力学性能；

（6）本发明中加入增塑剂、抗菌剂可进一步提高空气滤膜的韧性和抗菌性；

（7）加入聚乙烯醇溶液可以保持纤维过滤膜材料的稳定性，以利于各种加工裁切，便于工业化推广应用；

（8）本申请文件中所述一种代替熔喷布的空气滤膜较现有熔喷布易降解、不依赖石油资源、可再生，优势明显。

下述实施例中所述的空气滤膜定量、抗张强度、透光率指标均采用常规滤膜材料检测方法检测；

PM2.5过滤效率的测试方法：参照国标GB/T6223-1997自吸过滤式防微粒口罩试验方法，检测阻挡0.3μm钠盐气溶胶效果。检测步骤如下：将过滤膜安装在试验模型上，置于试验柜中，启动氯化钠发生器，将0.3μm的氯化钠气溶胶以90L/min的流量送入柜中，用钠焰光度测试仪测定柜中气溶胶浓度大于1mg/m3后，开动抽气泵，以30L/min的流量通过被测过滤膜，并用钠焰光度测试仪测定过滤膜后的氯化钠气溶胶浓度，以内外浓度之差与外浓度（即过滤前）之比值即为过滤膜的过滤效率，用百分数表示。

气流阻力的测试方法：参照国标GB/T6223-1997自吸过滤式防微粒口罩试验方法，原理是将被试过滤膜安装在试验模型上，以一定的气流通过口罩，抽气所形成的负压值为吸气阻力，结果以Pa表示。检测步骤如下：开动抽气泵，以25L/min流量通过不戴过滤膜的试验模型，测出检验装置***阻力P1。将被试过滤膜安装在试验模型上，以25L/min流量通过滤膜，测出安装过滤膜时的阻力P2，P2-P1即为过滤膜阻力。

具体实施方式

实施例1

一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，由以下原料组成：半纤维素2份、纤维素3份、增塑剂1份、抗菌剂0.5份、聚乙烯醇1份。

所述增塑剂为甘油。

所述抗菌剂为纳米二氧化钛。

所述聚乙烯醇分子量为1750、1788，按质量比1：1混合。

所述的一种代替熔喷布的空气过滤膜的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）将半纤维素溶解后加入催化剂和丙烯酰胺单体在温度为40℃、反应时间为180min进行聚合；

（2）将上述步骤（1）的半纤维素聚合物在反应结束后，冷却至室温，沉淀、洗涤，在温度为60℃，时间为6h真空干燥；

（3）将上述步骤（2）的半纤维素加入硼酸在50℃、500rpm下搅拌溶解，制得半纤维素溶解液；

（4）将上述步骤（3）的半纤维素溶解液中加入纤维素、增塑剂、抗菌剂，在50℃、300rpm下匀速搅拌溶解后保温待用；

（5）将聚乙烯醇按固液比1：20溶解于去离子水中制备均匀透明聚乙烯醇溶液；

（6）将上述步骤（5）的聚乙烯醇溶液加入步骤（4）的混合液中搅拌均匀，然后调节pH值为6.5，负压脱气3min；

（7）用步骤（6）溶液制膜，成型后在80℃下干燥4小时，即得一种代替熔喷布的空气滤膜；

所述步骤（2）中所述沉淀所用的溶剂为四氢呋喃；

所述洗涤的洗涤剂为丙酮。

上述实施例1所得空气滤膜定量为40g/m2、抗张强度可达28MPa、透光率达40%、PM2.5过滤效率95.0%、气流阻力（Pa) 33 pa。

实施例2

一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，由以下原料组成：半纤维素3份、纤维素5份、增塑剂1份、抗菌剂0.5份、聚乙烯醇2份。

所述增塑剂为山梨醇。

所述抗菌剂为植酸。

所述聚乙烯醇分子量为1750。

所述一种代替熔喷布的空气过滤膜制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）将半纤维素溶解后加入催化剂和丙烯酰胺单体在温度为50℃、反应时间为150min进行聚合；

（2）将上述步骤（1）的半纤维素聚合物在反应结束后，冷却至室温，沉淀、洗涤，在温度为50℃，时间为24h真空干燥；

（3）将上述步骤（2）的半纤维素加入硼酸在60℃、400rpm下搅拌溶解，制得半纤维素溶解液；

（4）将上述步骤（3）的半纤维素溶解液中加入纤维素、增塑剂、抗菌剂，在60℃、400rpm下匀速搅拌溶解后保温待用；

（5）将聚乙烯醇按固液比1：25溶解于去离子水中制备均匀透明聚乙烯醇溶液；

（6）将上述步骤（5）的聚乙烯醇溶液加入步骤（4）的混合液中搅拌均匀，然后调节pH值为7.0，负压脱气4min；

（7）用步骤（6）溶液制膜，成型后在80℃下干燥6小时，即得一种代替熔喷布的空气滤膜；

所述步骤（2）中所述沉淀所用的溶剂为无水乙醇；

所述洗涤的洗涤剂为无水乙醇。

上述实施例2所得空气滤膜定量为40g/m2、抗张强度可达33MPa、透光率达38%、PM2.5过滤效率98.0%、气流阻力（Pa）33pa。

实施例3

一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，由以下原料组成：半纤维素5份、纤维素10份、增塑剂2份、抗菌剂1.0份、聚乙烯醇2份。

所述增塑剂为聚乙二醇。

所述抗菌剂为山梨酸。

所述聚乙烯醇分子量为1799。

所述一种代替熔喷布的空气过滤膜制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）将半纤维素溶解后加入催化剂和丙烯酰胺单体在温度为60℃、反应时间为180min进行聚合；

（2）将上述步骤（1）的半纤维素聚合物在反应结束后，冷却至室温，沉淀、洗涤，在温度为60℃，时间为48h真空干燥；

（3）将上述步骤（2）的半纤维素加入硼酸在70℃、500rpm下搅拌溶解，制得半纤维素溶解液；

（4）将上述步骤（3）的半纤维素溶解液中加入纤维素、增塑剂、抗菌剂，在70℃、300rpm下匀速搅拌溶解后保温待用；

（5）将聚乙烯醇按固液比1： 30溶解于去离子水中制备均匀透明聚乙烯醇溶液；

（6）将上述步骤（5）的聚乙烯醇溶液加入步骤（4）的混合液中搅拌均匀，然后调节pH值为7.5，负压脱气3min；

（7）用步骤（6）溶液制膜，成型后在80℃下干燥8小时，即得一种代替熔喷布的空气滤膜；

所述步骤（2）中所述沉淀所用的溶剂为丙酮；

所述洗涤的洗涤剂为丙酮。

上述实施例3所得空气滤膜定量为40g/m2、抗张强度可达34MPa、透光率达35%、PM2.5过滤效率96.0%、气流阻力（Pa）36 pa。

从上述实施例可知本发明的空气过滤膜机械性能较好、过滤效果和透气性均较好，可代替溶喷布使用于卫生防护用品上。

Claims (8)

1.一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，其特征在于，由以下原料组成：半纤维素、纤维素、增塑剂、抗菌剂、聚乙烯醇。

2.根据权利要求1所述一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，其特征在于，所述半纤维素为蔗渣碱法预提取的半纤维素，重均相对分子质量为40000。

3.根据权利要求1所述一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，其特征在于，所述纤维素为来自造纸厂抄纸网部的白水经纤维回收机或圆网浓缩机过滤获得的针叶木浆或构皮浆的细小纤维。

4.根据权利要求1所述一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，其特征在于，所述增塑剂为甘油、山梨醇、乙二醇、聚乙二醇中一种。

5.根据权利要求1所述一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，其特征在于，所述抗菌剂为纳米二氧化钛、植酸、山梨酸中一种。

6.根据权利要求1所述一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇分子量为1750、1788或1799中的一种或多种混合物。

7.根据权利要求1所述一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，其特征在于，所述的一种代替熔喷布的空气过滤膜其定量为30～40g/m²。

8.根据权利要求1所述一种代替熔喷布的空气过滤膜及其制备方法，其特征在于，所述的一种代替熔喷布的空气过滤膜的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）将半纤维素溶解后加入催化剂和丙烯酰胺单体在温度为40～60℃、反应时间为120～180min进行聚合；

（2）将上述步骤（1）的半纤维素聚合物在反应结束后，冷却至室温，沉淀、洗涤，在温度为45～60℃，时间为6～48h真空干燥；

（3）将上述步骤（2）的半纤维素加入硼酸在50～70℃、300～500rpm下搅拌溶解，制得半纤维素溶解液；

（4）将上述步骤（3）的半纤维素溶解液中加入纤维素、增塑剂、抗菌剂，在50～70℃、300～500rpm下匀速搅拌溶解后保温待用；

（5）将聚乙烯醇按固液比1：20～30溶解于去离子水中制备均匀得透明聚乙烯醇溶液；

（6）将上述步骤（5）的聚乙烯醇溶液加入步骤（4）的混合液中搅拌均匀，然后调节pH值为6.5～7.5，负压脱气3～5min；

（7）用步骤（6）溶液制膜，成型后在80℃下干燥4～8小时，即得一种代替熔喷布的空气滤膜；

所述步骤（1）中所述催化剂为过硫酸钾和硫代硫酸钠的混合物；所述过硫酸钾和硫代硫酸钠的摩尔比为1:1；

所述催化剂的用量为半纤维素质量的3％；

所述步骤（1）中所述丙烯酰胺的用量为半纤维素质量的5倍；

所述步骤（2）中所述沉淀所用的溶剂为四氢呋喃、无水乙醇、甲醇或丙酮；

所述洗涤的洗涤剂为丙酮、甲醇或无水乙醇。