CN115155165A - 一种高效空气过滤的滤材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于空气净化领域，特别涉及一种高效空气过滤的滤材及其制备方法。该滤材包括熔喷过滤层，贴合于所述熔喷过滤层的静电纺过滤层，以及贴合于所述静电纺过滤层的支撑保护层。本发明由依次设置的熔喷过滤层、静电纺过滤层和支撑保护层构成，熔喷过滤层能够对空气进行初步过滤，然后通过静电纺过滤层对空气进行进一步过滤，从而能够实现高效过滤效果，最后由支撑保护层对静电保护层进行防护和支撑，避免静电保护层的破裂和脱落，进而使滤材能够拥有持久的过滤效果。本发明提供的滤材具有高效且持久的过滤效果，因而能够满足不同场景下的空气过滤要求，其制备方法能够在不增加新的设备之下完成相应滤材的制备。

Description

一种高效空气过滤的滤材及其制备方法
技术领域
本发明属于空气净化领域，更具体地，涉及一种高效空气过滤的滤材及其制备方法。
背景技术
在电力、电子、生物医药、饮料食品等各个领域，高效空气滤芯是必不可少的关键件，它有效提高了空气洁净度，保证了产品质量以及设备运行的稳定性。传统技术的滤材包括静电纺层和熔喷层，由于静电纺层的孔径小，容易堵，并且容易破裂，使得滤材的过滤效果较差，且效率持久性差。对于传统技术中存在的问题，采用替换材料或改变结构的方式，均未能解决其问题。因此，如何提高滤材持久高效的过滤效果是亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种高效空气过滤的滤材及其制备方法，旨在解决传统滤材过滤效果差的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高效空气过滤的滤材，其特征在于，包括熔喷过滤层，贴合于所述熔喷过滤层的静电纺过滤层，以及贴合于所述静电纺过滤层的支撑保护层。所述熔喷过滤层为熔喷制成的纤维形成的多孔网状结构；所述静电纺过滤层为静电纺丝制成的纤维形成的多孔网状结构；所述支撑保护层为纺粘纤维制成的多孔网状结构。
在其中的一个实施例中，所述熔喷过滤层、静电纺过滤层和支撑保护层的材料为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、尼龙、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种。
在其中的一个实施例中，所述熔喷过滤层的纤维丝的平均直径为2μm～10μm，定量为30g/m2～50g/m2，厚度为0.15mm～0.4mm，透气度为700mm/s～1200mm/s。所述定量为面密度，即单位面积内的重量。
在其中的一个实施例中，所述静电纺过滤层的纤维丝的平均直径为0.3μm～0.6μm，定量为5g/m2～15g/m2，厚度为0.1mm～0.2mm，透气度为200mm/s～450mm/s。
在其中的一个实施例中，所述支撑保护层的纤维丝的平均直径为20μm～30μm，定量为20g/m2～30g/m2，厚度为0.15mm～0.3mm，透气度为2000mm/s～4000mm/s。
按照本发明的另一个方面，提供了一种高效空气过滤的滤材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、干燥后的聚合物加热至熔融状态，挤出并通过热空气牵伸形成熔喷过滤层；
S2、将聚合物原料通过溶剂溶解，然后通过静电牵引、溶剂蒸发，喷覆在熔喷过滤层上形成静电纺过滤层；
S3、将支撑保护层贴合在静电纺过滤层上，并通过热压形成复合滤材。
在其中的一个实施例中，热压温度为支撑保护层熔点，热压的压力为1bar～3bar。
在其中的一个实施例中，热压速度为5m/min～15m/min。
在其中的一个实施例中，步骤S1中加热的温度为220℃～240℃。
在其中的一个实施例中，熔喷过滤层的熔点为170℃～180℃，熔融指数为35g/min～100g/min。
本发明提供的高效空气过滤的滤材，通过依次设置的熔喷过滤层和静电纺过滤层，相比于传统技术中先静电纺过滤层再熔喷过滤层的设置顺序，能够通过孔径较大的熔喷过滤层对大的沉积物进行初步过滤，从而对孔径较小的静电纺过滤层起到保护作用，避免其失去过滤效果。再通过静电纺过滤层进行进一步地过滤，保证滤材具备较好的过滤效果。在保证传统滤材的过滤效果不受影响的前提下，进一步通过设置支撑保护层，为静电纺过滤层提供支撑保护，避免其破损而丧失过滤效果，提高滤材过滤的持久性。本发明提供的高效空气过滤的滤材的制备方法，能够实现高效过滤且效用持久的滤材，从而实现滤材的优异性能。
附图说明
图1为发明实施例的滤材的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1、熔喷过滤层；2、静电纺过滤层；3、支撑保护层。
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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供一种高效空气过滤的滤材，该滤材包括熔喷过滤层1，贴合于所述熔喷过滤层1的静电纺过滤层2，以及贴合于所述静电纺过滤层2的支撑保护层3。其中，熔喷过滤层1为熔喷制成的纤维形成的多孔网状结构；静电纺过滤层2为静电纺丝制成的多孔网状结构；支撑保护层3为纺粘纤维制成的多孔网状结构。熔喷过滤层1用于对空气起到初步过滤的作用，静电纺过滤层2则是对空气进行进一步地过滤，支撑保护层3则是对静电纺过滤层2起到支撑加固的作用。各层的原材料可以是聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、尼龙、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种。滤材主要应用于静态过滤的场景，静态过滤即应用滤材对粉尘的捕捉来完成过滤。相比于动态过滤场景，无需通过反吹自洁来提高总容尘量，从而节约反吹自洁的能耗。
熔喷过滤层1为上游层，熔喷过滤层1的纤维平均直径为2～10μm，定量为30g/m2～50g/m2，厚度为0.15mm～0.4mm，透气度为700mm/s～1200mm/s。其中，熔喷过滤层1的纤维的平均直径适中，具备一定的过滤功能，能够对空气进行初步的过滤，将较大的沉积物拦截下来。熔喷过滤层1具有较大的定量，即单位面积内的重量较大，这使得熔喷过滤层1具有较好的结构强度，增强了滤材的强度。但熔喷过滤层1的定量不宜过大，数值过大则会降低熔喷过滤层1的透气度，从而增大熔喷过滤层1的流通阻力，进而使熔喷过滤层1的过滤性能降低。熔喷过滤层1的厚度适中，既保证熔喷过滤层1的过滤效率，又保证了熔喷过滤层1的透气度。进一步地，熔喷过滤层1的纤维熔点为170℃～180℃，熔融指数为35g/min～100g/min。在加热时按照熔喷过滤层1的熔点来设定加热熔融温度，并且熔融指数越高，聚合物熔融后流动性越好，喷出的丝才会连续，不会产生飞丝、断丝，而且纤维更细。
静电纺过滤层2为中间层，静电纺过滤层2的纤维平均直径为0.3μm～0.6μm，定量为5g/cm2～15g/cm2，厚度为0.1mm～0.2mm，透气度为200mm/s～450mm/s。其中，静电纺过滤层2的纤维平均直径较小，能够实现高效过滤，并且厚度提供一定的结构强度。
支撑保护层3为下游层，支撑保护层3的纤维平均直径为20～30μm，定量为20g/m2～30g/m2，厚度为0.15mm～0.3mm，透气度为2000mm/s～4000mm/s。支撑保护层3的纤维具有较大的平均直径，因而对空气中沉积物的过滤较少。支撑保护层3具有较大的定量，并且具有较为合适的厚度，从而具备很好的结构强度，能够为静电纺过滤层2提供很好的支撑和固定，避免静电纺过滤层2的破裂和脱落。支撑保护层3具有较好的透气度，具备很小的阻力，因此能够在保持滤材结构强度的同时，对滤材的过滤效果不产生较大的影响。
本发明实施例还提供一种高效空气过滤的滤材，其具体步骤如下：
S1、干燥后的聚合物加热至熔融状态，挤出并通过热空气牵伸形成熔喷过滤层1；具体地，将干燥后的聚合物原料经熔喷设备的料斗进入螺杆挤出机中，在螺杆挤出机中被加热熔融往前端输送，熔体经过滤后到达熔喷模头，然后从喷丝孔中挤出，同时在热空气的牵伸作用下向收集装置上喷射，形成熔喷过滤层1；
S2、将聚合物原料通过溶剂溶解，然后通过静电牵引、溶剂蒸发，喷覆在熔喷过滤层1上形成静电纺过滤层2；具体地，将聚合物原料用相应溶剂溶解，然后在静电纺丝设备中通过静电牵引、溶剂蒸发等过程，形成纳米纤维，进一步喷覆在熔喷过滤层上形成依次布置的熔喷过滤层1和静电纺过滤层2的双层结构。其中，在静电纺丝过程中，将聚合物溶液加上几千至几万伏的高压静电，从而在毛细管和接地的接收装置间产生一个强大的电场力。当电场力施加于液体的表面时，将在表面产生电流，相同电荷相斥导致了电场力与液体的表面张力的方向相反。这样，当电场力施加于液体的表面时，将产生一个向外的力，对于一个半球形状的液滴，这个向外的力就与表面张力的方向相反。随着电场力的增大，排斥的电场力将克服液滴的表面张力形成射流，同时溶剂挥发得到纳米纤维，并落在接收装置上，形成了纳米纤维过滤层。
S3、将支撑保护层3贴合在静电纺过滤层2上，并通过热压形成复合滤材；具体地，将附着静电纺过滤层2的熔喷过滤层1与支撑保护层3一起，送入热压复合设备的上压辊和下压辊之间，通过热压形成复合滤材，其中热压压力为1bar～3bar，热压温度为材料熔点，热压速度为5m/min～15m/min。其中，热压压力过大，滤材容易软化变形；热压压力过小，则复合效果差。热压速度过大，则滤材无法充分加热融合，复合效果差；热压速度过小，则滤材容易软化变形。
下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
(实施例一)
本实施例的空气滤材包括熔喷过滤层1、静电纺过滤层2和支撑保护层3。本实施例中，熔喷过滤层1的原材料是聚偏氟乙烯，静电纺过滤层2的原材料是聚丙烯，支撑保护层3的原材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯。本实施例中，熔喷过滤层1的过滤效率为55％(0.3μm、5.33cm/s)，静电纺过滤层2的过滤效率为99.5％(0.3μm、5.33cm/s)；本实施例中，熔喷过滤层1中的纤维平均直径为5μm，静电纺过滤层2中的纤维平均直径为0.45μm，支撑保护层3中的纤维平均直径为25μm。本实施例中，熔喷过滤层1的定量为40g/m2，静电纺过滤层2的定量为10g/m2，支撑保护层3的定量为20g/m2。本实施例中，熔喷过滤层1的厚度为0.25mm，静电纺过滤层2的厚度为0.15mm，支撑保护层3的厚度为0.16mm。本实施例中，熔喷过滤层1的透气度为1100mm/s，静电纺过滤层2的透气度为260mm/s，支撑保护层3的透气度为3200mm/s。本实施例中，熔喷过滤层1中的纤维熔点为175℃，熔融指数为50g/min。
本实施例还提供了上述空气滤材的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)熔喷过滤层1制备
将干燥后的聚丙烯颗粒从料斗进入螺杆挤出机中，在螺杆挤出设备中被加热熔融(260℃)后往前端输送，熔体经过滤后到达熔喷模头，然后从喷丝孔中挤出，同时在热空气(200℃)的牵伸作用下向卷取装置上喷射，形成熔喷过滤层1。
(2)静电纺过滤层2制备
先将干燥后的聚偏氟乙烯颗粒用溶剂N，N二甲基甲酰胺和丙酮溶解，溶液浓度为20％，纺丝液通过计量泵后和喷头后，利用高压静电发生器中的静电牵引(静电电压为15kV)形成纺丝(纺丝距离为20cm，纺丝液挤出速率为3ml/h)，溶剂蒸发后，纺丝收集在熔喷过滤层1上。
(3)热压复合
进一步将附着静电纺过滤层2的熔喷过滤层1与支撑保护层3一起，送入热压复合设备的上压辊和下压辊之间加固，形成复合滤材。本实施例中，热压压力为1.5bar，热压温度为170℃，热压速度为10m/min。在其他实施例中，热压压力还可以为1bar、2bar，2.5bar、3bar等，热压速度可以为5m/min、8m/min、12m/min、15m/min等。
(实施例二)
本实施例与实施例1的区别在于：熔喷过滤层1的过滤效率为65％，纤维平均直径为4μm，定量为45g/m2，厚度为0.27mm；静电纺过滤层2过滤效率99.92％，纤维平均直径为0.3μm，定量为12g/m2，厚度为0.16mm；惯性拦截过滤层1的透气度为1050mm/s，扩散拦截过滤层2的透气度为240mm/s。
本发明实施例提供的一种高效空气过滤的滤芯，将熔喷过滤层1作为进风面，对空气中较大的沉积物进行初步的过滤，再通过静电纺过滤层2实现更精细化的过滤，从而达到高效过滤空气。在静电纺过滤层2上还设置有支撑保护层3，该支撑保护层3对静电纺过滤层2进行支撑保护，避免静电纺过滤层2的破裂或脱落，从而延长滤材的使用时间，使其具备持久的过滤性能。本发明实施例提供的制备方法简单易操作，能够制备出具备高效过滤性能的滤材，并且实现滤材的持久过滤性能。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效空气过滤的滤材，其特征在于，包括熔喷过滤层(1)，贴合于所述熔喷过滤层(1)的静电纺过滤层(2)，以及贴合于所述静电纺过滤层(2)的支撑保护层(3)，
所述熔喷过滤层(1)为熔喷制成的纤维形成的多孔网状结构；
所述静电纺过滤层(2)为静电纺丝制成的纤维形成的多孔网状结构；
所述支撑保护层(3)为纺粘纤维制成的多孔网状结构。
2.根据权利要求1所述的高效空气过滤的滤材，其特征在于，所述熔喷过滤层(1)、静电纺过滤层(2)和支撑保护层(3)的材料为聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、尼龙、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的高效空气过滤的滤材，其特征在于，所述熔喷过滤层(1)的纤维丝的平均直径为2μm～10μm，定量为30g/m2～50g/m2，厚度为0.15mm～0.4mm，透气度为700mm/s～1200mm/s。
4.根据权利要求1所述的高效空气过滤的滤材，其特征在于，所述静电纺过滤层(2)的纤维丝的平均直径为0.3μm～0.6μm，定量为5g/m2～15g/m2，厚度为0.1mm～0.2mm，透气度为200mm/s～450mm/s。
5.根据权利要求1所述的高效空气过滤的滤材，其特征在于，所述支撑保护层(3)的纤维丝的平均直径为20μm～30μm，定量为20g/m2～30g/m2，厚度为0.15mm～0.3mm，透气度为2000mm/s～4000mm/s。
6.如权利要求1所述的一种高效空气过滤的滤材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、干燥后的聚合物加热至熔融状态，挤出并通过热空气牵伸形成熔喷过滤层(1)；
S2、将聚合物原料通过溶剂溶解，然后通过静电牵引、溶剂蒸发，喷覆在熔喷过滤层(1)上形成静电纺过滤层(2)；
S3、将支撑保护层(3)贴合在静电纺过滤层(2)上，并通过热压形成复合滤材。
7.根据权利要求6所述的一种高效空气过滤的滤材的制备方法，其特征在于，热压温度为支撑保护层(3)熔点，热压的压力为1bar～3bar。
8.根据权利要求6所述的一种高效空气过滤的滤材的制备方法，其特征在于，热压速度为5m/min～15m/min。
9.根据权利要求6所述的一种高效空气过滤的滤材的制备方法，其特征在于，步骤S1中加热的温度为220℃～240℃。
10.根据权利要求6所述的高效空气过滤的滤材，其特征在于，所述熔喷过滤层(1)的熔点为170℃～180℃，熔融指数为35g/min～100g/min。
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