CN105926161B - 一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料及其制备方法，过滤材料包括从下而上设置的非织造布基材、具有梯度结构的至少三层粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层；其制备方法为：在较细的纳米纤维中均匀混入较粗的纳米纤维，通过调节纺制较粗纳米纤维与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比，控制较粗纳米纤维的含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增，得到具有梯度结构的粗细组合纳米纤维过滤层，采用热轧工艺将非织造布基材、粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层进行复合，得到三明治结构空气过滤材料。本发明制备工艺简单，可精确控制纤维结构，制备的过滤材料过滤效率高，阻力压降小，容尘量大，力学性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料及其制备方法，属于静电纺纳米纤维空气过滤材料制备技术领域。
背景技术
随着我国工业化的高速发展和汽车保有量的急剧增加，空气污染问题日益严峻，尤其是近年来我国大部分地区频繁出现的雾霾、沙尘暴等恶劣天气，对人们的身体健康和生活质量造成了严重影响，因此，空气过滤材料的需求量越来越大，对其过滤性能的要求也越来越高。静电纺纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大、结构可调控性强等特点，其与基材结合制备的复合过滤材料孔径小、过滤效率高，很适用于生产高性能空气过滤材料，在个体防护、工业过滤和室内空气净化等领域具有广阔的应用前景。目前，公开的制备静电纺纳米纤维复合过滤材料的技术有“一种纳米纤维过滤材料及其制备方法”（CN105040271A），“一种纤维素纳/微米纤维非织造复合过滤材料及其制备方法”（CN102908829A），“一种过滤器用电纺丝基复合纳米纤维材料的制备方法”（CN101829454A），以及静电纺聚乳酸纳米纤维复合滤料的过滤性能研究（论文），静电纺PAN纳米纤维多孔膜的微观结构与过滤性能（论文）和静电纺纳米纤维/非织造布复合过滤材料的结构性能与模拟（硕士论文），这些都是将单一直径的静电纺纳米纤维直接沉积在接收基材上形成纳米纤维复合过滤材料，并通过控制工艺条件减小纳米纤维直径和增加纳米纤维膜的厚度来提高其过滤效率，然而制备出的纳米纤维复合过滤材料普遍存在阻力压降大，净空气产出率低，强度差的问题，因此开发高效低阻纳米纤维复合过滤材料已经成为过滤材料领域关注的焦点之一。
发明内容
本发明的目的是针对现有空气过滤材料制备技术的不足，提供一种可提高过滤效率和容尘量，降低过滤阻力，改善力学性能的具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料，其关键技术在于：其包括从下而上设置的非织造布基材、具有梯度结构的至少三层粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层；
所述粗细组合纳米纤维过滤层由直径在900-1800nm的较粗的静电纺聚酰胺6纳米纤维和直径在300-550nm的较细的静电纺聚酰胺6纳米纤维均匀混合而成，粗细组合纳米纤维过滤层结构蓬松，具有三维网状微孔，较粗聚酰胺6纳米纤维在较细聚酰胺6纳米纤维中的质量百分含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增。
优选的，所述粗细组合纳米纤维过滤层中较粗的静电纺聚酰胺6纳米纤维与较细的静电纺聚酰胺6纳米纤维的质量比为10%-50%。
所述空气过滤材料结构为非织造布基材、粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层形成的三明治结构。
优选的，所述的非织造布基材和非织造布覆盖层的材质均选自聚丙烯纤维、聚酯纤维的熔喷和纺粘非织造布中的一种。
所述空气过滤材料的核心过滤部分为粗细组合纳米纤维过滤层，所述空气过滤材料对1μm以下颗粒物的过滤效率达到99%以上，阻力压降小于150Pa。
本发明提供的一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法按以下步骤进行：
第一步，纺制较粗的纳米纤维和较细的纳米纤维的两种纺丝液的配置：将一定量的聚酰胺6颗粒加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为20-25%的均匀、稳定的纺丝液，作为较粗的聚酰胺6纳米纤维的纺丝溶液；将一定量的聚酰胺6颗粒加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为15-18%的均匀、稳定的纺丝液，作为较细的聚酰胺6纳米纤维的纺丝溶液；
第二步，单层粗细组合纳米纤维过滤层的制备：将纺制较粗聚酰胺6纳米纤维的纺丝液和纺制较细聚酰胺6纳米纤维的纺丝液分别注入两个注射器中，将两个注射器固定在双针道静电纺丝机内，用两个鳄鱼夹分别与两个注射器的针头相连，再将高压直流电源的正极与鳄鱼夹相连，高压直流电源的负极与金属接收滚筒连接并接地，接收滚筒上包覆有非织造布基材，启动该双针道静电纺丝机，在接收滚筒的非织造布基材表面同时沉积较粗的聚酰胺6纳米纤维和较细的聚酰胺6纳米纤维，得到混合均匀的粗细纳米纤维混合过滤层；
第三步，具有梯度结构的多层粗细组合纳米纤维过滤层的制备：制备沉积在非织造布基材上的第一层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中注入一定量的纺制较细纳米纤维的纺丝液，在另一个注射器中注入较少的纺制较粗纳米纤维的纺丝液，即控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比例较低，然后在第二步所述的双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到第一层粗细组合纳米纤维过滤层，第一层粗细组合纳米纤维过滤层中的粗纤维含量较少，过滤效率较高，阻力压降较大；制备沉积在非织造布基材上的第二层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中注入相同质量的纺制较细纳米纤维的纺丝液，在另一个注射器中注入比第一次多的纺制较粗纳米纤维的纺丝液，即控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比例比第一次的质量比例大，然后在第二步所述的双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到第二层粗细组合纳米纤维过滤层，第二层粗细组合纳米纤维混合过滤层中的粗纤维含量比第一层多，过滤效率比第一层低，阻力压降比第一层小；以此类推，制备沉积在非织造布基材上的第n层粗细组合纳米纤维过滤层时，控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比例比第n-1层的质量比例大，得到的第n层粗细组合纳米纤维过滤层中的粗纤维含量比第n-1层多，第n层粗细组合纳米纤维过滤层的过滤效率比第n-1层低，阻力压降比第n-1层小，n为大于等于3的整数；通过调节纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比，控制较粗纳米纤维的含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增，各个粗细组合纳米纤维过滤层的过滤效率沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递减，阻力压降沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递减，从而得到具有梯度结构的多层粗细组合纳米纤维过滤层；
第四步，过滤材料的复合：在最后一层粗细组合纳米纤维过滤层的表面覆盖一层非织造布过滤材料，采用点状热轧技术将非织造布基材、具有梯度结构的粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层复合在一起，点状复合热轧温度为160-200℃，得到三明治结构空气过滤材料。
作为本发明的优选技术方案：
如上所述的一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，所述将两个注射器在双针道静电纺丝机上同时进行静电纺丝，得到混合均匀的粗细组合纳米纤维过滤层时，纺丝参数为：纺丝电压15-30kV，接收距离15-25cm，纺丝速度0.1-1.5mL/h，温度20-35℃，相对湿度25-45%。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
（1）本发明一步成型获得结构蓬松，具有三维网状微孔的粗细组合纳米纤维空气过滤材料，通过控制较粗纳米纤维的含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增，能够实现对空气的分层梯度过滤，制得的过滤材料具有较高的过滤效率，较大的容尘量和较低的阻力压降；
（2）本发明在较细的纳米纤维中引入适量较粗的纳米纤维，粗纤维起到支撑作用，有助于改善过滤材料的力学性能；
（3）本发明提供的制备方法实现了两种粗细不同的纳米纤维的实时、均匀混合，工艺简单，具有良好的纤维结构可控性。
附图说明
附图1为本发明实施例1制备的具有梯度结构的粗细组合纳米纤维过滤层中第一层的扫描电子显微镜照片；
图2为本发明实施例2制备的具有梯度结构的粗细组合纳米纤维过滤层中第一层的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明包括从下而上设置的非织造布基材、具有梯度结构的多层粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层；所述粗细组合纳米纤维过滤层由直径在900-1800nm的较粗的静电纺聚酰胺6纳米纤维和直径在300-550nm的较细的静电纺聚酰胺6纳米纤维均匀混合而成，粗细组合纳米纤维过滤层结构蓬松，具有三维网状曲折微孔，所述较粗聚酰胺6纳米纤维的含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增。粗细组合纳米纤维过滤层的层数可以根据需要选择，这和每一层的溶液注射量有关，层数根本上是根据对最终过滤材料过滤性能的要求而控制的，一般为3-6层。
所述空气过滤材料结构为非织造布基材、粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层形成的三明治结构。所述的非织造布基材和非织造布覆盖层均选自聚丙烯纤维、聚酯纤维的熔喷和纺粘非织造布中的一种。
实施例1
一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，具体步骤为：
用电子天平称取一定量的干燥聚酰胺6颗粒溶于甲酸中，并用磁力搅拌器连续搅拌8小时，得到质量分数为25%的聚酰胺6均相溶液，作为纺制较粗聚酰胺6纳米纤维的纺丝液；同时，将适量的干燥聚酰胺6颗粒溶于甲酸中，并将其置于磁力搅拌器上搅拌8小时，得到质量分数为18%的聚酰胺6均相溶液，作为纺制较细聚酰胺6纳米纤维的纺丝液；制备第一层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中注入1.2g质量分数为18%的聚酰胺6溶液，在另一个注射器中注入0.2g质量分数为25%的聚酰胺6溶液，即控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比为1:6，纺丝工艺参数为：纺丝电压18kV，接收距离15cm，纺丝速度1.2mL/h，纺丝的环境温度为25℃，相对湿度为25%，将两个注射器置于双针道静电纺丝机内，打开高压电源，较粗和较细的聚酰胺6纳米纤维同时沉积在接收滚筒的非织造布基材上，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，得到混合均匀的第一层粗细组合纳米纤维过滤层；制备第二层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中仍然注入1.2g质量分数为18%的聚酰胺6溶液，而在另一个注射器中注入0.4g质量分数为25%的聚酰胺6溶液，即控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比为2:6，采取同样的纺丝参数进行静电纺丝，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，得到混合均匀的第二层粗细组合纳米纤维过滤层；类似地，制备第三层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中注入1.2g质量分数为18%的聚酰胺6溶液，而在另一个注射器中注入0.6g质量分数为25%的聚酰胺6溶液，即控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比为3:6，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，得到混合均匀的第三层粗细组合纳米纤维过滤层，其中较粗纳米纤维的平均直径为1772nm，较细纳米纤维的平均直径为513nm，从第一层至第三层粗细组合纳米纤维过滤层，较粗纳米纤维的含量依次递增，过滤效率和阻力压降依次递减，从而形成具有梯度结构的粗细组合纳米纤维过滤层，见图1；最后，采用点状热轧技术将非织造布基材、粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层进行复合，得到具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料。通过试验证明该过滤材料对1μm以下颗粒物的过滤效率达到99%以上，阻力压降小于127Pa。
实施例2
一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，具体步骤为：
用电子天平称取一定量的干燥聚酰胺6颗粒溶于甲酸中，并用磁力搅拌器连续搅拌6小时，得到质量分数为22%的聚酰胺6均相溶液，作为纺制较粗聚酰胺6纳米纤维的纺丝液；同时，将适量的干燥聚酰胺6颗粒溶于甲酸中，并将其置于磁力搅拌器上搅拌6小时，得到质量分数为15%的聚酰胺6均相溶液，作为纺制较细聚酰胺6纳米纤维的纺丝液；制备第一层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中注入1g质量分数为15%的聚酰胺6溶液，在另一个注射器中注入0.1g质量分数为22%的聚酰胺6溶液，即控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比为1:10，纺丝工艺参数为：纺丝电压15kV，接收距离15cm，纺丝速度1mL/h，纺丝的环境温度为25℃，相对湿度为30%，将两个注射器置于双针道静电纺丝机内，打开高压电源，较粗和较细的聚酰胺6纳米纤维同时沉积在接收滚筒的非织造布基材上，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，得到混合均匀的第一层粗细组合纳米纤维过滤层；制备第二层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中仍然注入1g质量分数为15%的聚酰胺6溶液，而在另一个注射器中注入0.2g质量分数为22%的聚酰胺6溶液，即控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比为2:10，采取同样的纺丝参数进行静电纺丝，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，得到混合均匀的第二层粗细组合纳米纤维过滤层；类似地，制备第三层、第四层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中均注入1g质量分数为15%的聚酰胺6溶液，而在另一个注射器中分别注入0.3g、0.4g质量分数为22%的聚酰胺6溶液，即分别控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比为3:10和4:10，待注射器内的纺丝液喷射完毕后，依次得到混合均匀的第三层、第四层粗细组合纳米纤维过滤层，其中较粗纳米纤维的平均直径为1184nm，较细纳米纤维的平均直径为368nm，从第一层至第四层粗细组合纳米纤维过滤层，较粗纳米纤维的含量依次递增，过滤效率和阻力压降依次递减，从而形成具有梯度结构的粗细组合纳米纤维过滤层，见图2；最后，采用点状热轧技术将非织造布基材、粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层进行复合，得到具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料。通过试验证明该过滤材料对1μm以下颗粒物的过滤效率达到99%以上，阻力压降小于148Pa。
与实施例2相比，实施例1由于细纤维最细（溶液质量分数最低），粗纤维较粗，粗细纤维质量配比合理（未超过50%），复合层数少，综合过滤性能较好。
Claims (6)
1.一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，其特征在于，所述纳米纤维空气过滤材料，其包括从下而上设置的非织造布基材、具有梯度结构的至少三层粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层；
所述粗细组合纳米纤维过滤层由直径在900-1800nm的较粗的静电纺聚酰胺6纳米纤维和直径在300-550nm的较细的静电纺聚酰胺6纳米纤维均匀混合而成，粗细组合纳米纤维过滤层结构蓬松，具有三维网状微孔，较粗聚酰胺6纳米纤维在较细聚酰胺6纳米纤维中的质量百分含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增；
所述制备方法按以下步骤进行：
第一步，纺制较粗的纳米纤维和较细的纳米纤维的两种纺丝液的配置：
将一定量的聚酰胺6颗粒加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为20-25%的均匀、稳定的纺丝液，作为较粗的聚酰胺6纳米纤维的纺丝溶液；将一定量的聚酰胺6颗粒加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为15-18%的均匀、稳定的纺丝液，作为较细的聚酰胺6纳米纤维的纺丝溶液；
第二步，单层粗细组合纳米纤维过滤层的制备：
将纺制较粗聚酰胺6纳米纤维的纺丝液和纺制较细聚酰胺6纳米纤维的纺丝液分别注入两个注射器中，将两个注射器固定在双针道静电纺丝机内，用两个鳄鱼夹分别与两个注射器的针头相连，再将高压直流电源的正极与鳄鱼夹相连，高压直流电源的负极与金属接收滚筒连接并接地，接收滚筒上包覆有非织造布基材，启动该双针道静电纺丝机，在接收滚筒的非织造布基材表面同时沉积较粗的聚酰胺6纳米纤维和较细的聚酰胺6纳米纤维，得到混合均匀的粗细纳米纤维混合过滤层；
第三步，具有梯度结构的多层粗细组合纳米纤维过滤层的制备：
制备沉积在非织造布基材上的第一层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中注入一定量的纺制较细纳米纤维的纺丝液，在另一个注射器中注入较少的纺制较粗纳米纤维的纺丝液，即控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比例较低，然后在第二步所述的双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到第一层粗细组合纳米纤维过滤层，第一层粗细组合纳米纤维过滤层中的粗纤维含量较少，过滤效率较高，阻力压降较大；
制备沉积在非织造布基材上的第二层粗细组合纳米纤维过滤层时，在一个注射器中注入相同质量的纺制较细纳米纤维的纺丝液，在另一个注射器中注入比第一次多的纺制较粗纳米纤维的纺丝液，即控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比例比第一次的质量比例大，然后在第二步所述的双针道静电纺丝机上同时进行静电纺，得到第二层粗细组合纳米纤维过滤层，第二层粗细组合纳米纤维混合过滤层中的粗纤维含量比第一层多，过滤效率比第一层低，阻力压降比第一层小；
以此类推，制备沉积在非织造布基材上的第n层粗细组合纳米纤维过滤层时，控制纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比例比第n-1层的质量比例大，得到的第n层粗细组合纳米纤维过滤层中的粗纤维含量比第n-1层多，第n层粗细组合纳米纤维过滤层的过滤效率比第n-1层低，阻力压降比第n-1层小，n为大于等于3的整数；通过调节纺制较粗纳米纤维的纺丝液与纺制较细纳米纤维的纺丝液的质量比，控制较粗纳米纤维的含量沿过滤材料厚度方向由下向上逐渐递增，各个粗细组合纳米纤维过滤层的过滤效率沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递减，阻力压降沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递减，从而得到具有梯度结构的多层粗细组合纳米纤维过滤层；
第四步，过滤材料的复合：在最后一层粗细组合纳米纤维过滤层的表面覆盖一层非织造布过滤材料，采用点状热轧技术将非织造布基材、具有梯度结构的粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层复合在一起，点状复合热轧温度为160-200℃，得到三明治结构空气过滤材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，其特征在于，将两个注射器在双针道静电纺丝机上同时进行静电纺丝，得到混合均匀的粗细组合纳米纤维过滤层时，纺丝参数为：纺丝电压15-30kV，接收距离15-25cm，纺丝速度0.1-1.5mL/h，温度20-35℃，相对湿度25-45%。
3.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，其特征在于：所述粗细组合纳米纤维过滤层中较粗的静电纺聚酰胺6纳米纤维与较细的静电纺聚酰胺6纳米纤维的质量比为10%-50%。
4.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，其特征在于：所述空气过滤材料结构为非织造布基材、粗细组合纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层形成的三明治结构。
5.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，其特征在于：所述的非织造布基材和非织造布覆盖层的材质均选自聚丙烯纤维、聚酯纤维的熔喷和纺粘非织造布中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种具有梯度结构的粗细组合纳米纤维空气过滤材料的制备方法，其特征在于：所述空气过滤材料的核心过滤部分为粗细组合纳米纤维过滤层，所述空气过滤材料对1μm以下颗粒物的过滤效率达到99%以上，阻力压降小于150Pa。
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