CN116427103B - 一种高过滤性能的熔喷布及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高过滤性能的熔喷布及其制备方法和应用，涉及的是熔喷布生产技术领域。本发明中通过在传统熔融纺丝技术的基础上调整熔喷模头与旋转接收器的相对位置以及其他工艺参数，能够改变纤维的堆积方式和堆积密度，获得具有三维结构的熔喷材料，同时增加了熔喷材料的比表面积，在同等阻力情况下增加了过滤效果，很好地平衡过滤效率和阻力，而且通过对旋转接收器和吸风装置的参数调整，能够使所得熔喷材料具有高的柔软度。此外，高过滤性能的熔喷布的制备工艺简单，对熔喷设备的技术要求低，经济可行，在民用过滤材料领域中具有广泛应用，尤其是空气净化材料。

Description

一种高过滤性能的熔喷布及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及的是熔喷布生产技术领域，尤其涉及一种高过滤性能的熔喷布及其制备方法和应用。
背景技术
新鲜的空气对人体健康至关重要，空气中的粉尘、烟气、甲醛等有害物质或气体经呼吸进入人体后，会严重影响人体健康，因此，空气净化装置中用到的材料的过滤性能直接影响其空气净化效果。而熔喷布具有特殊的纺丝纤维的毛细结构，蓬松透软、抗皱能力强，表现出优异的过滤性、牵伸性和吸油性，被广泛用于民用过滤材料。但是常规熔融纺丝技术得到的熔喷材均为二维结构，其过滤性能好的同时还是会导致其阻力增加，进而降低其空气净化效果。
中国专利申请CN114159889A公开了一种纳米纤维空气过滤材料及其制备方法，过滤材料自上而下、依次层叠布置无纺布层、纳米纤维过滤层和支撑层，通过超声焊接的方式复合，通过选择表面结果为凹凸不平或孔隙逐渐减小的接收基材作为支撑层来提高过滤材料的三维立体网络结构的互通性，进而降低阻力，解决了过滤效率衰减的问题，可以作为室内净化器、新风***用过滤材料。中国专利申请CN107737491A提供了一种具有三维扭曲纤维结构的熔喷过滤材料及其制造方法，该熔喷过滤材料是将粗过滤部分、支撑部分和细过滤部分针刺得到，主要是通过将不同性能的PP材料梳理为蓬松纤维网，然后通过热风处理或红外腐蚀，促使PP异形熔喷纤维呈现三维扭曲结构，进而使其在具有更好的过滤性能的同时保持过滤阻力变化不大。但是这些三维结构的熔喷材料制备方法复杂，而且所得熔喷布的力学强度无法得到改善。
发明内容
为了解决上述问题，本发明第一方面提供了一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，包括：
S1.将挤出机中的高分子聚合物在高温条件下加工为熔融状态；
S2.调整熔喷模头与旋转接收器的相对位置，使其角度处于0-90°，接收距离为11-25cm；
S3.将S1中熔融状态的高分子聚合物通过熔喷模头喷出形成纤维丝，并沉积于旋转接收器表面，卷绕即得。
在一些优选的实施方式中，所述S1中高分子聚合物为热塑型聚合物，在此不做特别限定。
优选地，所述S1中高分子聚合物选自聚丙烯、聚乙烯、乙烯共聚物、聚乳酸、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰胺中的一种或多种的混合；进一步优选为聚丙烯。
在一些优选的实施方式中，所述高分子聚合物的熔融指数不做限定；优选地，所述高分子聚合物在230℃/2.16kg的熔融指数为800-2100g/10min；优选为1550g/10min。
在一些优选的实施方式中，所述S1中高温条件为180-330℃，优选为250-290℃。
在一些优选的实施方式中，所述S2中熔喷模头与旋转接收器的角度可以为X轴方向的角度也可以为Y轴方向的角度，在本申请中不做具体限定。
优选地，所述S2中熔喷模头与旋转接收器的角度为30-60°；进一步优选为30-45°；更优选为45°。
现有技术中，熔喷布主要通过获得更细纤维，形成更大比表面积来获取更好的过滤性能，但是该方法可能会使熔喷布产生过滤阻力增加大、强度低的问题，在阻力不增加的状态下，熔喷布又达不到较高的过滤效率。本申请人发现通过调整熔喷模头与旋转接收器的接收角度，可以改变所得熔喷纤维的纤维结构，当旋转接收器对熔喷模头的接收角度为0-90°时，即可以得到一种具有三维结构的熔喷材料。推测可能的原因是，旋转接收器对熔喷丝束的水平或垂直方向的接收角度发生变化后，明显改变了纤维的堆积方式，使最初垂直方向喷出的纤维会根据接收角度的调整而发生一定程度的重合，从而使纤维具有一定的立体感、层次感，最终使熔喷材料由二维结构转变为三维结构，且纤维的堆积密度随着角度的变化而发生变化。意外地是，熔喷模头与旋转接收器的接收角度为30-60°时，通过调整纺丝温度、热空气风温风量、空调冷却等参数的协同作用下，所得材料的三维立体结构明显，纤维横向分布更加均匀，在同等阻力的情况下具有优异的过滤性能。
此外，现有技术中主要通过熔融纺丝过程中的所用熔喷模头的孔径、孔数来改变纤维的纤度，但孔径、孔数会受到加工材料和加工条件的局限，进而导致通过现有方式得到的熔喷材料的纤维纤度和堆积密度也受到一定的限定。而且过细的孔径和过小的孔间距，可能容易造成纤维间粘连现象、纤维强度较差等问题，无法平衡过滤效率和阻力二者之间的兼容性。
本申请中，通过调整熔喷模头与旋转接收器的接收角度的变化，可以改善纤维的堆积密度、横向均匀性等，在同等纤维纤度的情况下，所形成的三维结构具有较平面结构更高的堆积密度、比表面积，达到更好的过滤效果。另外由于其堆积方式发生了变化而降低了其阻力值，实现了大家所期望熔喷材料应具有高效率低阻力的性能，降低了现有技术中熔喷布的高效率低阻力的生产难度和制造成本。
在一些优选的实施方式中，所述接收距离为熔喷模头与旋转接收器间的垂直接收距离。
在一些优选的实施方式中，优选地，所述S2中接收距离为13-17cm；进一步优选为15cm。
在一些优选的实施方式中，所述S2中熔喷模头中微孔的孔径为0.3-0.5mm，长径比为11-15；优选地，微孔的孔径为0.35mm，长径比为13。
在一些优选的实施方式中，所述S3中熔融状态的高分子聚合物的流量为50-60kg/h；优选为55kg/h。
在一些优选的实施方式中，所述S3中熔喷模头的温度为240~385℃；优选为260℃。
在一些优选的实施方式中，所述S3中熔融状态的高分子聚合物经计量泵喷出时需要借助热空气吹喷进行拉伸，进而形成纤维丝。
优选地，所述热空气的温度为210-310℃，压力为0.7-1.2bar；进一步优选地，温度为245-280℃，压力为0.8-1.0bar；更进一步优选地，温度为265℃，压力为0.95bar。
在一些优选的实施方式中，所述S3中旋转接收器的频率为7-16Hz；优选为7-13Hz；更优选为13Hz。
本申请中所述旋转接收器处还设置有吸风装置，用于冷却纤维丝，提升纤维丝在旋转接收器的沉积效果。
在一些优选的实施方式中，所述吸风装置的频率为40-47Hz；优选为43Hz。
本发明人发现，在本体系中，选用频率为40-47Hz的吸风装置且旋转接收器的频率为7-16Hz，有助于熔喷纤维顺利下垂到旋转接收器表面。推测可能原因是，一定熔融指数的聚丙烯纤维在挤出成丝的过程中，频率为40-47Hz的吸风装置能够协同高速热气流的牵伸作用，增加对其的牵引力，使其被顺利吸附到旋转接收器表面，避免了“飞花”、纤维无法沉积、纤维分布不均匀等问题，同时限定旋转接收器的频率为7-16Hz，还能使所得熔喷纤维网的蓬松度降低，孔隙率变小，过滤效率变大，过滤阻力变小。意外地，本申请人发现当吸风装置的频率为43Hz且旋转接收器的频率为13Hz，在熔喷模头与旋转接收器的夹角、计量泵的进样量、高速热气流的温度及压力等不同特定参数的协同作用下，该装置提供的风力适宜，进一步加速了熔喷纤维网的冷却定型速度，提升了熔喷布的密度，而且所得熔喷布的柔软度好，有效提高了纤维的拉伸强力、断裂伸长强力及断裂伸长率，进而提升了所得熔喷布的力学性能，扩展其应用范围。
本发明第二方面提供了一种由上述制备方法制备得到的高过滤性能的熔喷布。
本发明第三方面提供了一种高过滤性能的熔喷布在空气净化材料中的应用。
所述民用过滤材料包括空气净化材料、香烟过滤嘴。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中通过在传统熔融纺丝技术的基础上调整熔喷模头与旋转接收器的相对位置以及其他工艺参数，能够改变纤维的堆积方式和堆积密度，获得具有三维结果的熔喷材料，同时增加了熔喷材料的比表面积，在同等阻力情况下增加了过滤效果，很好地平衡过滤效率和阻力，而且通过对旋转接收器和吸风装置的参数调整，能够提高所得熔喷材料的柔软度。
（2）本发明中通过对熔喷模头与旋转接收器的相对位置的调整，改变了纤维丝在旋转接收器表面的堆积角度，进而改善了熔喷布横向纤维的均匀性，缩小了横纵向力学性能差异性，增加熔喷过程中纤维粘结强度，进而增加了熔喷材料的力学强度，有效减缓熔喷布的过滤效率衰减问题。
（3）本发明中高过滤性能的熔喷布的制备工艺简单，对熔喷设备的技术要求低，经济可行，在民用过滤材料领域中具有广泛应用，尤其是空气净化材料领域。
具体实施方式
实施例1
1、一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，包括：
S1.将挤出机中的高分子聚合物在高温条件下加工为熔融状态；
S2.调整熔喷模头与旋转接收器的相对位置，使其角度处于45°，接收距离为16cm；
S3.将S1中熔融状态的高分子聚合物通过熔喷模头喷出形成纤维丝，并沉积于旋转接收器表面，卷绕即得。
所述S1中高分子聚合物为聚丙烯。
所述高分子聚合物在230℃/2.16kg的熔融指数为1550g/10min（东莞市业强塑胶原料有限公司，金发科技股份有限公司）。
所述S1中高温条件为260℃。
所述S2中熔喷模头与旋转接收器的角度为X轴方向的角度。
所述接收距离为熔喷模头与旋转接收器间的垂直接收距离。
所述S2中熔喷模头中微孔的孔径为0.35mm，长径比为13。
所述S3中熔融状态的高分子聚合物的流量为55kg/h。
所述S3中熔喷模头的温度为260℃。
所述S3中熔融状态的高分子聚合物经计量泵喷出时需要借助热空气吹喷进行拉伸，进而形成纤维丝。
所述热空气的温度为265℃，压力为0.95bar。
所述S3中旋转接收器的频率为13Hz。
本申请中所述旋转接收器处还设置有吸风装置，用于冷却纤维丝，提升纤维丝在旋转接收器的沉积效果。
所述吸风装置的频率为43Hz。
2、一种由上述制备方法制备得到的高过滤性能的熔喷布。
3、一种高过滤性能的熔喷布在民用过滤材料中的应用。
实施例2
1、一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，与实施例1的不同之处在于：
所述S2中熔喷模头与旋转接收器的角度为Y轴方向的角度。
2、一种由上述制备方法制备得到的高过滤性能的熔喷布。
3、一种高过滤性能的熔喷布在民用过滤材料中的应用。
实施例3
1、一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，与实施例1的不同之处在于：
所述聚丙烯在230℃/2.16kg的熔融指数为1800g/10min（韩国巴塞尔，牌号MF650Y）。
2、一种由上述制备方法制备得到的高过滤性能的熔喷布。
3、一种高过滤性能的熔喷布在民用过滤材料中的应用。
实施例4
1、一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，与实施例1的不同之处在于：
所述S2中熔喷模头与旋转接收器的角度为65°。
2、一种由上述制备方法制备得到的高过滤性能的熔喷布。
3、一种高过滤性能的熔喷布在民用过滤材料中的应用。
实施例5
1、一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，与实施例1的不同之处在于：
所述S3中旋转接收器的频率为20Hz。
2、一种由上述制备方法制备得到的高过滤性能的熔喷布。
3、一种高过滤性能的熔喷布在民用过滤材料中的应用。
实施例6
1、一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，与实施例1的不同之处在于：
所述吸风装置的频率为35Hz。
2、一种由上述制备方法制备得到的高过滤性能的熔喷布。
3、一种高过滤性能的熔喷布在民用过滤材料中的应用。
性能测试
1、PM2.5过滤效率：将实施例所得样品安装至空调器上，并依据GB/T 34012-2017的试验方法进行测试。
2、过滤阻力：利用过滤材料效率自动检测装置（TSI制Model8130），在额定流量300m3/h条件下通过样品时的压力损失进行测定。
3、柔软度：测试标准GB/T 8942-2016。柔软度数值越高，则越柔软，一般柔软度达到20以上则有良好的手感，则能满足一般应用的要求（CN202011606353.8）。
表1 实施例性能测试结果

Claims (6)

1.一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，其特征在于，包括：
S1.将挤出机中的高分子聚合物在高温条件下加工为熔融状态；
S2.调整熔喷模头与旋转接收器的相对位置，使其角度处于45°，接收距离为16cm，所述接收距离为熔喷模头与旋转接收器间的垂直接收距离；
S3.将S1中熔融状态的高分子聚合物通过熔喷模头喷出形成纤维丝，并沉积于旋转接收器表面，卷绕即得；
所述S1中高温条件为260℃；
所述旋转接收器处还设置有吸风装置，所述吸风装置的频率为40-47Hz；
所述高分子聚合物在230℃/2.16kg的熔融指数为1550g/10min；
所述S2中熔喷模头中微孔的孔径为0.3-0.5mm，长径比为11-15；
所述S3中旋转接收器的频率为7-13Hz。
2.根据权利要求1所述的一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，其特征在于，所述S1中高分子聚合物选自聚丙烯、聚乙烯、乙烯共聚物、聚乳酸、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚酰胺中的一种或多种的混合。
3.根据权利要求1所述的一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，其特征在于，所述S3中熔融状态的高分子聚合物的流量为50-60kg/h。
4.根据权利要求3所述的一种高过滤性能的熔喷布的制备方法，其特征在于，所述S3中旋转接收器的频率为13Hz。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的高过滤性能的熔喷布的制备方法制备得到的高过滤性能的熔喷布。
6.一种根据权利要求5所述的高过滤性能的熔喷布在空气净化材料中的应用。
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