一種具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料的制備方法技術

本發明專利技術涉及一種具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料及其制備方法，過濾材料包括從下而上設置的非織造布基材、具有梯度結構的至少三層粗細組合納米纖維過濾層和非織造布覆蓋層；其制備方法為：在較細的納米纖維中均勻混入較粗的納米纖維，通過調節紡制較粗納米纖維與紡制較細納米纖維的紡絲液的質量比，控制較粗納米纖維的含量沿過濾材料厚度方向由下向上逐漸遞增，得到具有梯度結構的粗細組合納米纖維過濾層，采用熱軋工藝將非織造布基材、粗細組合納米纖維過濾層和非織造布覆蓋層進行復合，得到三明治結構空氣過濾材料。本發明專利技術制備工藝簡單，可精確控制纖維結構，制備的過濾材料過濾效率高，阻力壓降小，容塵量大，力學性能良好。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料及其制備方法，屬于靜電紡納米纖維空氣過濾材料制備

技術介紹
隨著我國工業化的高速發展和汽車保有量的急劇增加，空氣污染問題日益嚴峻，尤其是近年來我國大部分地區頻繁出現的霧霾、沙塵暴等惡劣天氣，對人們的身體健康和生活質量造成了嚴重影響，因此，空氣過濾材料的需求量越來越大，對其過濾性能的要求也越來越高。靜電紡納米纖維具有纖維直徑小、比表面積大、結構可調控性強等特點，其與基材結合制備的復合過濾材料孔徑小、過濾效率高，很適用于生產高性能空氣過濾材料，在個體防護、工業過濾和室內空氣凈化等領域具有廣闊的應用前景。目前，公開的制備靜電紡納米纖維復合過濾材料的技術有“一種納米纖維過濾材料及其制備方法”（CN105040271A），“一種纖維素納/微米纖維非織造復合過濾材料及其制備方法”（CN102908829A），“一種過濾器用電紡絲基復合納米纖維材料的制備方法”（CN101829454A），以及靜電紡聚乳酸納米纖維復合濾料的過濾性能研究（論文），靜電紡PAN納米纖維多孔膜的微觀結構與過濾性能（論文）和靜電紡納米纖維/非織造布復合過濾材料的結構性能與模擬（碩士論文），這些都是將單一直徑的靜電紡納米纖維直接沉積在接收基材上形成納米纖維復合過濾材料，并通過控制工藝條件減小納米纖維直徑和增加納米纖維膜的厚度來提高其過濾效率，然而制備出的納米纖維復合過濾材料普遍存在阻力壓降大，凈空氣產出率低，強度差的問題，因此開發高效低阻納米纖維復合過濾材料已經成為過濾材料領域關注的焦點之一。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對現有空氣過濾材料制備技術的不足，提供一種可提高過濾效率和容塵量，降低過濾阻力，改善力學性能的具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料及其制備方法。為了達到上述目的，本專利技術的技術方案是：一種具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料，其關鍵技術在于：其包括從下而上設置的非織造布基材、具有梯度結構的至少三層粗細組合納米纖維過濾層和非織造布覆蓋層；所述粗細組合納米纖維過濾層由直徑在900-1800nm的較粗的靜電紡聚酰胺6納米纖維和直徑在300-550nm的較細的靜電紡聚酰胺6納米纖維均勻混合而成，粗細組合納米纖維過濾層結構蓬松，具有三維網狀微孔，較粗聚酰胺6納米纖維在較細聚酰胺6納米纖維中的質量百分含量沿過濾材料厚度方向由下向上逐漸遞增。優選的，所述粗細組合納米纖維過濾層中較粗的靜電紡聚酰胺6納米纖維與較細的靜電紡聚酰胺6納米纖維的質量比為10%-50%。所述空氣過濾材料結構為非織造布基材、粗細組合納米纖維過濾層和非織造布覆蓋層形成的三明治結構。優選的，所述的非織造布基材和非織造布覆蓋層的材質均選自聚丙烯纖維、聚酯纖維的熔噴和紡粘非織造布中的一種。所述空氣過濾材料的核心過濾部分為粗細組合納米纖維過濾層，所述空氣過濾材料對1μm以下顆粒物的過濾效率達到99%以上，阻力壓降小于150Pa。本專利技術提供的一種具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料的制備方法，其特征在于：所述制備方法按以下步驟進行：第一步，紡制較粗的納米纖維和較細的納米纖維的兩種紡絲液的配置：將一定量的聚酰胺6顆粒加入甲酸中，用磁力攪拌裝置連續攪拌6-10小時，得到質量分數為20-25%的均勻、穩定的紡絲液，作為較粗的聚酰胺6納米纖維的紡絲溶液；將一定量的聚酰胺6顆粒加入甲酸中，用磁力攪拌裝置連續攪拌6-10小時，得到質量分數為15-18%的均勻、穩定的紡絲液，作為較細的聚酰胺6納米纖維的紡絲溶液；第二步，單層粗細組合納米纖維過濾層的制備：將紡制較粗聚酰胺6納米纖維的紡絲液和紡制較細聚酰胺6納米纖維的紡絲液分別注入兩個注射器中，將兩個注射器固定在雙針道靜電紡絲機內，用兩個鱷魚夾分別與兩個注射器的針頭相連，再將高壓直流電源的正極與鱷魚夾相連，高壓直流電源的負極與金屬接收滾筒連接并接地，接收滾筒上包覆有非織造布基材，啟動該雙針道靜電紡絲機，在接收滾筒的非織造布基材表面同時沉積較粗的聚酰胺6納米纖維和較細的聚酰胺6納米纖維，得到混合均勻的粗細納米纖維混合過濾層；第三步，具有梯度結構的多層粗細組合納米纖維過濾層的制備：制備沉積在非織造布基材上的第一層粗細組合納米纖維過濾層時，在一個注射器中注入一定量的紡制較細納米纖維的紡絲液，在另一個注射器中注入較少的紡制較粗納米纖維的紡絲液，即控制紡制較粗納米纖維的紡絲液與紡制較細納米纖維的紡絲液的質量比例較低，然后在第二步所述的雙針道靜電紡絲機上同時進行靜電紡，得到第一層粗細組合納米纖維過濾層，第一層粗細組合納米纖維過濾層中的粗纖維含量較少，過濾效率較高，阻力壓降較大；制備沉積在非織造布基材上的第二層粗細組合納米纖維過濾層時，在一個注射器中注入相同質量的紡制較細納米纖維的紡絲液，在另一個注射器中注入比第一次多的紡制較粗納米纖維的紡絲液，即控制紡制較粗納米纖維的紡絲液與紡制較細納米纖維的紡絲液的質量比例比第一次的質量比例大，然后在第二步所述的雙針道靜電紡絲機上同時進行靜電紡，得到第二層粗細組合納米纖維過濾層，第二層粗細組合納米纖維混合過濾層中的粗纖維含量比第一層多，過濾效率比第一層低，阻力壓降比第一層小；以此類推，制備沉積在非織造布基材上的第n層粗細組合納米纖維過濾層時，控制紡制較粗納米纖維的紡絲液與紡制較細納米纖維的紡絲液的質量比例比第n-1層的質量比例大，得到的第n層粗細組合納米纖維過濾層中的粗纖維含量比第n-1層多，第n層粗細組合納米纖維過濾層的過濾效率比第n-1層低，阻力壓降比第n-1層小，n為大于等于3的整數；通過調節紡制較粗納米纖維的紡絲液與紡制較細納米纖維的紡絲液的質量比，控制較粗納米纖維的含量沿過濾材料厚度方向由下向上逐漸遞增，各個粗細組合納米纖維過濾層的過濾效率沿過濾材料的厚度方向由下向上逐漸遞減，阻力壓降沿過濾材料的厚度方向由下向上逐漸遞減，從而得到具有梯度結構的多層粗細組合納米纖維過濾層；第四步，過濾材料的復合：在最后一層粗細組合納米纖維過濾層的表面覆蓋一層非織造布過濾材料，采用點狀熱軋技術將非織造布基材、具有梯度結構的粗細組合納米纖維過濾層和非織造布覆蓋層復合在一起，點狀復合熱軋溫度為160-200℃，得到三明治結構空氣過濾材料。作為本專利技術的優選技術方案：如上所述的一種具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料的制備方法，所述將兩個注射器在雙針道靜電紡絲機上同時進行靜電紡絲，得到混合均勻的粗細組合納米纖維過濾層時，紡絲參數為：紡絲電壓15-30kV，接收距離15-25cm，紡絲速度0.1-1.5mL/h，溫度20-35℃，相對濕度25-45%。采用上述技術方案所產生的有益效果在于：（1）本專利技術一步成型獲得結構蓬松，具有三維網狀微孔的粗細組合納米纖維空氣過濾材料，通過控制較粗納米纖維的含量沿過濾材料厚度方向由下向上逐漸遞增，能夠實現對空氣的分層梯度過濾，制得的過濾材料具有較高的過濾效率，較大的容塵量和較低的阻力壓降；（2）本專利技術在較細的納米纖維中引入適量較粗的納米纖維，粗纖維起到支撐作用，有助于改善過濾材料的力學性能；（3）本專利技術提供的制備方法實現了兩種粗細不同的納米纖維的實時、均勻混合，工藝簡單，具有良好的纖維結構可控性。附圖說本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料，其特征在于：其包括從下而上設置的非織造布基材、具有梯度結構的至少三層粗細組合納米纖維過濾層和非織造布覆蓋層；所述粗細組合納米纖維過濾層由直徑在900?1800nm的較粗的靜電紡聚酰胺6納米纖維和直徑在300?550nm的較細的靜電紡聚酰胺6納米纖維均勻混合而成，粗細組合納米纖維過濾層結構蓬松，具有三維網狀微孔，較粗聚酰胺6納米纖維在較細聚酰胺6納米纖維中的質量百分含量沿過濾材料厚度方向由下向上逐漸遞增。

【技術特征摘要】
1.一種具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料，其特征在于：其包括從下而上設置的非織造布基材、具有梯度結構的至少三層粗細組合納米纖維過濾層和非織造布覆蓋層；所述粗細組合納米纖維過濾層由直徑在900-1800nm的較粗的靜電紡聚酰胺6納米纖維和直徑在300-550nm的較細的靜電紡聚酰胺6納米纖維均勻混合而成，粗細組合納米纖維過濾層結構蓬松，具有三維網狀微孔，較粗聚酰胺6納米纖維在較細聚酰胺6納米纖維中的質量百分含量沿過濾材料厚度方向由下向上逐漸遞增。2.根據權利要求1所述的具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料，其特征在于：所述粗細組合納米纖維過濾層中較粗的靜電紡聚酰胺6納米纖維與較細的靜電紡聚酰胺6納米纖維的質量比為10%-50%。3.根據權利要求1所述的具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料，其特征在于：所述空氣過濾材料結構為非織造布基材、粗細組合納米纖維過濾層和非織造布覆蓋層形成的三明治結構。4.根據權利要求1所述的具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料，其特征在于：所述的非織造布基材和非織造布覆蓋層的材質均選自聚丙烯纖維、聚酯纖維的熔噴和紡粘非織造布中的一種。5.根據權利要求1所述的具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料，其特征在于：所述空氣過濾材料的核心過濾部分為粗細組合納米纖維過濾層，所述空氣過濾材料對1μm以下顆粒物的過濾效率達到99%以上，阻力壓降小于150Pa。6.一種如權利要求1-5任一所述的具有梯度結構的粗細組合納米纖維空氣過濾材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法按以下步驟進行：第一步，紡制較粗的納米纖維和較細的納米纖維的兩種紡絲液的配置：將一定量的聚酰胺6顆粒加入甲酸中，用磁力攪拌裝置連續攪拌6-10小時，得到質量分數為20-25%的均勻、穩定的紡絲液，作為較粗的聚酰胺6納米纖維的紡絲溶液；將一定量的聚酰胺6顆粒加入甲酸中，用磁力攪拌裝置連續攪拌6-10小時，得到質量分數為15-18%的均勻、穩定的紡絲液，作為較細的聚酰胺6納米纖維的紡絲溶液；第二步，單層粗細組合納米纖維過濾層的制備：將紡制較粗聚酰胺6納米纖維的紡絲液和紡制較細聚酰胺6納米纖維的紡絲液分別注入兩個注射器中，將兩個注射器固定在雙針道靜電紡絲機內，用兩個鱷魚夾分別與兩個注射器的針頭相連，再將高壓直流電源的正極與鱷魚夾相連，高壓直流電源的負極與金屬接收滾筒連接并接地，接收滾筒上包覆有非織造布基材，啟動該雙針道靜電紡絲機，在接收滾筒的非織造布基材表面同時沉積較粗的聚酰胺6納米纖維和較細的聚...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉兆麟，石寶，張威，秦志剛，
申請(專利權)人：河北科技大學，
類型：發明
國別省市：河北;13