一种瓦楞结构空气过滤材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及过滤材料技术领域，具体涉及一种瓦楞结构空气过滤材料及其制备方法。


背景技术：

2.在过滤行业，纳米纤维常作为降低阻力的同时提高效率的功能材料，通常当纳米纤维直径≤100nm时，这种功能表现较为明显。在现有的应用技术中，纳米纤维常作为传统过滤介质的附加层，即单独成一层，位于进气层或中间夹层或里层，但由于纳米纤维较细，强度较弱，通常会在其表面施加保护层，如无纺布。这种方式会增加一部分阻力，降低纳米纤维部分功效。当该纳米层出现破损时，滤料的过滤效率有明显的下降，甚至会出现失效的情况，从而缩短使用寿命。
3.纳米纤维由于纤维较细，其过滤原理主要是表面过滤，即在工作时作为一个表面截留污物，类似多孔网或筛网。由于污物粒子都聚积在表面近介质上游的一个几何平面上，因此容易被污物堵塞，失去过滤能力。所以它的纳污容量一般较低，当过滤材料两层压差达到一定数值时，过滤材料即需要更换。
4.而深层过滤材料一般为可透性材料，内部具有大量的贯通孔。它的过滤作用发生在整个厚度上。一部分污物粒子被阻挡在近介质上游的表面，一些较小的粒子进入过滤介质内部，在收缩、膨胀等作用下吸附在孔壁上，或因桥架、流体方向改变引起沉积得到滤除。因此，深度型过滤介质的纳污容量较大，过滤效果较表面型过滤介质为好，寿命也较长。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述问题，提供一种过滤效果佳、使用寿命长的瓦楞结构空气过滤材料，该材料具备纳米纤维层，且无需在纳米材料表面施加保护层，同时能将纳米纤维降低阻力提高效率的功能提到最大；在使用过程中，不易出现过滤结构破损的情况。
6.本发明为了实现其目的，采用的技术方案是：
7.一种瓦楞结构空气过滤材料，包括从上往下依次设置的纳米纤维层、微纤维过滤层、支撑层，所述支撑层为u型波浪状瓦楞纸板，支撑层的u型槽的开口侧为进风侧，所述纳米纤维层和微纤维过滤层设置在支撑层的进风面上；
8.所述支撑层为聚烯烃无纺材料，支撑层的单位面积克重为70-180g/m2；
9.所述微纤维过滤层为聚烯烃短纤维层，纤维直径为0.5-2.5um，纤维长度≤3mm，微纤维过滤层的纤维在支撑层上的附着量为2-10g/m2；
10.所述纳米纤维层的材质为聚烯烃，纤维直径≤500nm，纳米纤维层的厚度为40-145um。
11.优选地，所述过滤材料的楞高为3-5mm，楞宽为2.5-4mm。
12.所述微纤维过滤层的纤维材质为聚酯或者聚酰胺；
13.所述纳米纤维层的原料聚烯烃包括聚酯、聚酰胺、聚丙烯；
14.所述支撑层的抗压强度≥50pa，透气性能≥1200l/m2.s。
15.优选地，所述微纤维过滤层与支撑层通过粘结剂复合，优选所述粘结剂为丙烯酸树脂粘合剂。
16.优选地，所述微纤维过滤层短纤维为卷曲短纤维；
17.微纤维过滤层纤维长度为0.5-2.5mm或1-3mm或1-2mm。
18.优选地，所述纳米纤维层的纤维直径为50-500nm或100-500nm或130-450nm；纳米纤维层的厚度为45-145um。
19.优选地，所述过滤材料的两个相邻的u型槽之间的夹角为锐角a。
20.本发明还提供了上所述的瓦楞结构空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
21.(1)制备复合层材料：将微纤维过滤层的原料短纤维与粘接剂混合均匀得到混合物，其中粘接剂固含量占混合物总重量的2-5％。取u型波浪状的支撑层，使用喷枪在其进风面上均匀喷施短纤维及粘接剂的混合物，再经过轧辊处理，得到具有微纤维过滤层的复合材料；
22.(2)取步骤(1)制得的复合层，在其微纤维过滤层上以静电纺丝的方式制备纳米纤维层：
23.将纳米纤维层的原料聚烯烃熔融后采用熔融纺丝法复合在步骤(1)制得的复合层上，将原料熔体材料注入静电纺丝设备中，将复合层放置在静电纺丝设备的接收棍上，使复合层的u型槽的沟槽正对喷丝口，喷丝口距离u型槽的槽底保持10-20cm，将纺丝溶液注入纺丝溶液储存器中，设置运行参数，开启静电纺丝设备，在电场的作用下，喷丝口处溶液形成喷射流，沿电场方向加速运动，最终在复合层的微纤维过滤层上得到纳米纤维层。
24.步骤(2)中静电纺丝的工作参数是：静电纺丝设备电压15～35kv，纺丝液流速1.0～2.5ml/l，环境温度保持25～30℃，环境湿度保持35～45％，接收距离10cm～20cm；优选静电纺丝设备电压15～25kv或15～20kv，纺丝液流速1.1～2.3ml/l或1.2～2.1ml/l，环境温度保持25～28℃，接收距离13cm～20cm或15cm～20cm。
25.在上述制备方法的技术方案中，所述支撑层是采用聚烯烃无纺材料，经过纺粘无纺工艺制备无纺布，热压定型瓦楞得到。
26.本发明的有益效果是：
27.支撑层，其作用首先是提供垂直于过滤材料和平行于过滤材料的机械强度，可满足使用要求和过滤要求；其次，支撑层要求具备瓦楞的波浪形结构，其作用有两方面，一方面增加了过滤面积，另一方面通过折叠的方式使纳米纤维大部分凹陷在材料内部，少部分暴露在外层，避免微纤维过滤层受到损伤，由表面过滤转变成深层过滤，从而在增加过滤效率的同时降低过滤阻力，提高容尘效率，增加使用寿命。
28.微纤维过滤层的作用是在支撑层进风面形成较出风面更粗糙的表面，便于负载静电纺丝纳米纤维，使纳米纤维呈现深度结构。微纤维过滤层克重和纤维直径决定了微纤维过滤层的结构状态。克重过低不能形成层状效果，克重过高导致微纤维过滤层过于紧实，缺少大的孔隙，不利于纳米纤维的成形深度结构。纤维直径过大或过小都不利于形成具有一定弹性、一定深度、一定孔隙的微纤维过滤层。
29.在静电纺丝的时候，单位水平面上，静电纺丝的附着的几率被视为一致，由于瓦楞的波浪形结构增加了过滤面积，因此沉落在波浪形瓦楞结构上的静电纺丝纤维面积较平面
的过滤层增加(也就是说，在相同的支撑层累积厚度下瓦楞形状的支撑层较平面的支撑层的累积的量更多，或者说在相同的纳米纤维层累积量下，瓦楞形状的支撑层的厚度更薄)，由于支撑层表面存在粗糙的微纤维过滤层，使纳米纤维层可以具备一定的深度结构。
30.本发明的瓦楞结构过滤材料，其采用u型槽，两个相邻的u型槽之间的夹角为锐角，u型槽的开口侧为进风侧，这样的设置能够减少风阻，同时减少使用过程中相邻两个u型槽之间的锐角发生坍塌。
31.将本发明的瓦楞结构滤材应用在空气过滤器或者空调进气系统中，过滤粉尘，效率高、效果好。
附图说明
32.图1是本发明的瓦楞结构空气过滤材料的结构示意图。
33.图2是图1中的瓦楞结构空气过滤材料的一个u型槽的放大结构示意图。
具体实施方式
34.下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
35.下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。
36.术语说明：
37.楞宽、楞高：见gb/t 6544-2008《瓦楞纸板》中的楞宽、楞高说明。
38.u型槽：指瓦楞结构滤材上波浪形的一个单个沟槽。
39.本发明的一种瓦楞结构空气过滤材料，如图1-2所示，包括从上往下依次设置的纳米纤维层1、微纤维过滤层2、支撑层3，支撑层3为u型波浪状瓦楞纸板，支撑层3的u型槽的开口侧为进风侧，纳米纤维层1和微纤维过滤层2设置在支撑层3的进风面上。过滤材料的楞高为3-5mm，楞宽为2.5-4mm。过滤材料的两个相邻的u型槽之间的夹角为锐角a。
40.其中，支撑层为聚烯烃无纺材料，支撑层的单位面积克重为70-180g/m2；支撑层是采用聚烯烃无纺材料经过纺粘无纺工艺制备无纺布、热压定型瓦楞得到(该技术为现有技术，根据已有技术即可制备成型)。微纤维过滤层为聚烯烃短纤维层，纤维直径为0.5-2.5um(优选1-2.5um或1.5-2.5um或1-2um)，纤维长度≤3mm(优选0.5-2.5mm或1-3mm或1-2mm)，微纤维过滤层的纤维在支撑层上的附着量为2-10g/m2(优选2-7g/m2或2-5g/m2或5-10g/m2或5-7g/m2)；纳米纤维层的材质为聚烯烃，纤维直径≤500nm(优选50-500nm或100-500nm或130-450nm)，纳米纤维层的厚度为40-145um(优选45-145um或65-145um或45-80um)。微纤维过滤层的纤维材质为聚酯、聚酰胺，微纤维过滤层短纤维为卷曲短纤维(可以从市面上直接购买得到卷曲短纤维)；纳米纤维层的原料聚烯烃包括聚酯、聚酰胺、聚丙烯；支撑层的抗压强度≥50pa，透气性能≥1200l/m2.s。微纤维过滤层与支撑层通过粘结剂复合，优选粘结剂为丙烯酸树脂粘合剂。
41.上述的瓦楞结构空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
42.(1)制备复合层材料：将微纤维过滤层的原料短纤维与粘接剂混合均匀得到混合物，其中粘接剂固含量占混合物总重量的2-5％。取u型波浪状的支撑层，使用喷枪在其进风面上均匀喷施短纤维及粘接剂的混合物，再经过轧辊处理，得到具有微纤维过滤层的复合材料；
43.(2)取步骤(1)制得的复合层，在其微纤维过滤层上以静电纺丝的方式制备纳米纤维层：
44.将纳米纤维层的原料聚烯烃熔融后采用熔融纺丝法复合在步骤(1)制得的复合层上，将原料熔体材料注入静电纺丝设备中，将复合层放置在静电纺丝设备的接收棍上，使复合层的u型槽的沟槽正对喷丝口，喷丝口距离u型槽的槽底保持10-20cm，将纺丝溶液注入纺丝溶液储存器中，设置运行参数，开启静电纺丝设备，在电场的作用下，喷丝口处溶液形成喷射流，沿电场方向加速运动，最终在复合层的微纤维过滤层上得到纳米纤维层。静电纺丝的工作参数是：静电纺丝设备电压15～35kv，纺丝液流速1.0～2.5ml/l，环境温度保持25～30℃，环境湿度保持35～45％，接收距离10cm～20cm；优选静电纺丝设备电压15～25kv或15～20kv，纺丝液流速1.1～2.3ml/l或1.2～2.1ml/l，环境温度保持25～28℃，接收距离13cm～20cm或15cm～20cm。
45.熔融纺丝法，是指将原料聚合物熔融后得到纺丝熔体并定量从喷丝孔挤出形成细流，经空气或水冷却固化，以一定的速度卷绕成纤维的纺丝方法，该方法为现有技术，其步骤是：
①
制备纺丝熔体(将成纤高聚物切片熔融或由连续聚合制得熔体)；
②
熔体通过喷丝孔挤出形成熔体细流；
③
熔体细流冷却固化形成初生纤维；
④
初生纤维上油和卷绕。熔纺分直接纺丝法和切片纺丝法。纺丝熔体中一般为纯的原料聚合物，可以根据情况选择添加粒度小于20nm的阻燃剂、抗菌剂、杀菌剂等。
46.按照上述方法制备表1的瓦楞结构过滤材料：
47.表1
[0048][0049]
检测表1中的瓦楞纸滤材的性能：
[0050]
测量透气量根据astm d737-2018《纺织织物的透气性的标准试验方法》测量；
[0051]
纤维直径采用sem进行测试；
[0052]
克重采用gb/t 451.2-2002《纸和纸板定量的测定》进行测试；
[0053]
测试所制得的过滤材料的的抗压强度，其具体方法是将滤材置于平面，在瓦楞上表面放置不同压强的模块，模块以10pa作为梯度，目测瓦楞塌陷变形情况。当模块出现变形时，上一个模块视为瓦楞的抗压强度。
[0054]
空气阻力和过滤效率测试标准参考gb/t 6165-2021《高效空气过滤器性能试验方法效率和阻力》中的计数法。
[0055]
支撑层的单位面积克重的检测方法是：将支撑层的瓦楞拉至平整后，取10片100cm2的圆片，称量所有圆片的克重g，计算单位面积克重m，计算公式为：
[0056]
m＝g/(10*0.01)。
[0057]
表1中微纤维过滤层的附着量计算方法：根据喷枪喷出的微纤维过滤层的原料短纤维与粘接剂混合得到的混合物的量和附着面积计算，将混合物的量除以附着面积即得到附着量数值。
[0058]
纳米纤维层的平均厚度测量：从过滤材料中截取多个小片样，将小片样置于电镜下测量，多点测试取平均值。
[0059]
容尘量为单位面积容尘量，单位为g/m2，测试方法是将过滤材料制备成过滤器(即在过滤材料上加一个外框，制备成600mm
×
600mm的过滤器)，过滤器过滤面积17m2，测试风量4000m3/h，终止阻力600pa，参考iso 16890测试过滤器容尘量，再计算单位面积容尘量。
[0060]
检测结果如表1、2中所示：
[0061]
表2
[0062][0063]
实施例1-3、5-7其结构相近，因此只测实施例1、7的容尘量。
[0064]
表1中，对比例1-3的支撑层为平板状，未设置为波浪形的瓦楞状，对比例4的支撑层为波浪形的瓦楞状。从表2的结果看出，对比例1的支撑层为平板状，复合了微纤维过滤层和纳米纤维层，与实施例1相比，其容尘量更低，同等空气过滤效率下，空气阻力更高。对比例2与实施例4的区别在于支撑层为平板状，相较于实施例4，对比例2在同等空气过滤效率下，空气阻力明显更高。对比例3与实施例1相比，支撑层为平板状，未设置微纤维过滤层，相较于实施例1，对比例3的容尘量明显降低。对比例4与实施例1相比，区别在于未设置微纤维过滤层，相较于实施例1，对比例4的空气阻力明显更高，容尘量明显降低。

技术特征：
1.一种瓦楞结构空气过滤材料，其特征在于：包括从上往下依次设置的纳米纤维层、微纤维过滤层、支撑层，所述支撑层为u型波浪状瓦楞纸板，支撑层的u型槽的开口侧为进风侧，所述纳米纤维层和微纤维过滤层设置在支撑层的进风面上；所述支撑层为聚烯烃无纺材料，支撑层的单位面积克重为70-180g/m2；所述微纤维过滤层为聚烯烃短纤维层，纤维直径为0.5-2.5um，纤维长度≤3mm，微纤维过滤层的纤维在支撑层上的附着量为2-10g/m2；所述纳米纤维层的材质为聚烯烃，纤维直径≤500nm，纳米纤维层的厚度为40-145um。2.根据权利要求1所述的瓦楞结构空气过滤材料，其特征在于：所述过滤材料的楞高为3-5mm，楞宽为2.5-4mm。3.根据权利要求1所述的瓦楞结构空气过滤材料，其特征在于：所述微纤维过滤层的纤维材质为聚酯或者聚酰胺；所述纳米纤维层的原料聚烯烃包括聚酯、聚酰胺、聚丙烯；所述支撑层的抗压强度≥50pa，透气性能≥1200l/m2.s。4.根据权利要求1所述的瓦楞结构空气过滤材料，其特征在于：所述微纤维过滤层与支撑层通过粘结剂复合，优选所述粘结剂为丙烯酸树脂粘合剂。5.根据权利要求1所述的瓦楞结构空气过滤材料，其特征在于：所述微纤维过滤层短纤维为卷曲短纤维；微纤维过滤层纤维长度为0.5-2.5mm或1-3mm或1-2mm。6.根据权利要求1所述的瓦楞结构空气过滤材料，其特征在于：所述纳米纤维层的纤维直径为50-500nm或100-500nm或130-450nm；纳米纤维层的厚度为45-145um。7.根据权利要求1所述的瓦楞结构空气过滤材料，其特征在于：所述过滤材料的两个相邻的u型槽之间的夹角为锐角a。8.权利要求1至7任一项所述的瓦楞结构空气过滤材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备复合层材料：将微纤维过滤层的原料短纤维与粘接剂混合均匀得到混合物，其中粘接剂固含量占混合物总重量的2-5％。取u型波浪状的支撑层，使用喷枪在其进风面上均匀喷施短纤维及粘接剂的混合物，再经过轧辊处理，得到具有微纤维过滤层的复合材料；(2)取步骤(1)制得的复合层，在其微纤维过滤层上以静电纺丝的方式制备纳米纤维层：将纳米纤维层的原料聚烯烃熔融后采用熔融纺丝法复合在步骤(1)制得的复合层上，将原料熔体材料注入静电纺丝设备中，将复合层放置在静电纺丝设备的接收棍上，使复合层的u型槽的沟槽正对喷丝口，喷丝口距离u型槽的槽底保持10-20cm，将纺丝溶液注入纺丝溶液储存器中，设置运行参数，开启静电纺丝设备，在电场的作用下，喷丝口处溶液形成喷射流，沿电场方向加速运动，最终在复合层的微纤维过滤层上得到纳米纤维层。9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中静电纺丝的工作参数是：静电纺丝设备电压15～35kv，纺丝液流速1.0～2.5ml/l，环境温度保持25～30℃，环境湿度保持35～45％，接收距离10cm～20cm；优选静电纺丝设备电压15～25kv或15～20kv，纺丝液流速1.1～2.3ml/l或1.2～2.1ml/l，环境温度保持25～28℃，接收距离13cm～20cm或15cm～20cm。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：所述支撑层是采用聚烯烃无纺材料，经过纺粘无纺工艺制备无纺布，热压定型瓦楞得到。

技术总结
本发明公开了一种瓦楞结构空气过滤材料，包括从上往下依次设置的纳米纤维层、微纤维过滤层、支撑层，支撑层为U型波浪状瓦楞纸板，支撑层的U型槽的开口侧为进风侧，纳米纤维层和微纤维过滤层设置在支撑层的进风面上；支撑层为聚烯烃无纺材料，支撑层的单位面积克重为70-180g/m2；微纤维过滤层为聚烯烃短纤维层，纤维直径为0.5-2.5um，纤维长度≤3mm，微纤维过滤层的纤维在支撑层上的附着量为2-10g/m2；纳米纤维层的材质为聚烯烃，纤维直径≤500nm，纳米纤维层的厚度为40-145um。本发明的瓦楞结构空气过滤材料具备纳米纤维层，过滤效果佳、使用寿命长，不易出现过滤结构破损的情况。不易出现过滤结构破损的情况。不易出现过滤结构破损的情况。


技术研发人员：曾影 李选 张雪梅
受保护的技术使用者：重庆纤维研究设计院股份有限公司
技术研发日：2023.04.12
技术公布日：2023/8/9