本实用新型涉及一种过滤材料以及应用该过滤材料的过滤元件。
背景技术：
现有技术控制孔径的方法主要为通过改变粉末形貌、不同粒径粉末间的搭配使用实现对孔径的调控、调价轧制工艺、烧结制度等制备工艺参数进行调控。但改变粉末在改变孔径的同时对膜的通孔隙度有较大影响，整个孔结构形态及曲折因子等都将发生变化。通过烧结制度调节孔径，对温场的要求较高，孔径≤5μm的孔隙在温度较高的条件下极易闭合形成闭孔，对需要制备小孔径膜材料的要求不易满足，通孔率减少透气度下降；例如，以-400目的电解镍粉为原料制备的多孔金属箔，孔径为15-20μm，通量≥3000m3/m2·h·kpa；以5-10μm的电解镍粉为原料制备的多孔金属箔，孔径为5-10μm，通量约300m3/m2·h·kpa；以10-15μm的羰基镍粉为原料制备的多孔金属箔，孔径为14-18μm，通量约2000m3/m2·h·kpa，孔径在大幅降低的同时通量受限。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种过滤材料及其制备方法，该过滤材料的孔径较小，孔隙率高且制备方法简单。本实用新型还要提供应用该过滤材料的过滤元件。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为一种过滤材料，所述过滤材料包括多孔材料基材，在多孔材料基材的孔隙表面附着有电镀涂层，所述电镀涂层包含合金或金属单质。当电镀涂层附着于多孔材料基材的孔隙表面时，可以在保持孔的数量恒定的前提下有效减小孔径大小，在保持较高的孔隙率的前提下提升过滤精度。由合金或金属单质组成的电镀涂层具有更好的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温，可以显著延长多孔材料基材的使用寿命。
进一步，所述电镀涂层还包括均匀分散的固体颗粒。固体颗粒在电镀涂层表面堆积，不仅形成二次孔隙，而且使过滤材料的比表面积显著提升；如果电镀涂层光滑且较厚，则涂层易脱落及导致堵塞孔隙，因此最终过滤材料的孔径难以达到纳米级。与光滑的涂层相比，含有固体颗粒的涂层可以使过滤材料的孔径达到纳米级且保持较高的孔隙率。
进一步，所述固体颗粒的平均粒径为0.01-19μm。如果固体颗粒的粒径过大，则可能导致电镀涂层的附着力差，所得过滤材料易因涂层的脱落而使孔隙被堵塞；如果固体颗粒的粒径过小，那么所得涂层表面光滑，所得过滤材料的比表面积小。进一步，所述固体颗粒指各种难溶的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等，如SiC和MoS2。
进一步，所述多孔材料基材为泡沫金属。进一步，所述泡沫金属为泡沫镍、泡沫镍合金、泡沫铜、泡沫铜合金、泡沫铝、泡沫铝合金中的任意一种。泡沫金属是一种具有超高孔隙率的三维网状材料，但是其较大的孔径限制了其应用。由于泡沫金属的孔径较大，因此多孔材料基材可进一步优选为压缩后的泡沫金属。进一步，所述多孔材料基材由至少两层泡沫金属叠加压缩而成。所述泡沫金属的平均孔径为0.01-0.5mm，孔隙率为60-95％。
进一步，所述压缩为轧制。当所述多孔材料基材由一层泡沫金属轧制而成时，通过轧制得到的多孔薄膜的孔径及厚度分布均匀。当所述多孔材料基材由至少两层泡沫金属叠加轧制而成时，通过轧制得到的多孔薄膜不仅孔径及厚度分布均匀，而且各层泡沫金属之间的结合力更强，不易剥离。进一步，所述轧制为热轧或冷轧。
进一步，所述轧制的压力为50-600T(1T等于133.322Pa)。轧制压力过大，可能导致最终过滤材料的孔隙过小，当过滤材料较厚时，过滤阻力显著增加。轧制压力过小，不仅孔径难以达到要求，而且相邻泡沫金属之间的结合力差。所述轧制的压力优选为200-400T。通过调节轧制压力的大小，可以制备出不同孔径的过滤材料，不同孔径的过滤材料可以进一步组成多级过滤元件。
进一步，所述多孔材料基材由固溶体合金、面心立方结构的金属单质或体心立方结构的金属单质为基体相的金属多孔材料所构成，其与公布号为CN104759629A的中国专利申请中记载的柔性多孔金属膜的制备方法相似或采用现有的其它类似方法制成。上述多孔材料因其制备工艺的限制，其孔径一般较大，当应用于室内空气净化时，过滤精度差，难以满足室内空气净化质量要求。采用上述方法，以所述多孔材料为基材，通过在基材的孔隙表面增加电镀涂层，可以有效减小基材的孔径，从而提升其过滤精度。进一步，所述多孔材料基材的平均孔径为5-100μm，孔隙率为25-70％。
进一步，所述金属单质为锌、镍、钨、镁、钛、钯、镉、金、银、锡、铜或铝；所述合金为锌合金、铝合金、镍合金、钨合金、银合金或镁合金。由上述材料组成的电镀涂层的物化稳定性好，可以显著提升多孔材料基材的使用寿命和使用范围。当电镀涂层材料为锌或铝时，能起到阴极保护的作用，提升多孔材料基材的耐腐蚀性能。
上述过滤材料的制备包括以下步骤：(1)配制包含涂层金属的阳离子的电解液；(2)以涂层金属为阳极，多孔材料基材为阴极，将阳极和阴极插入电解液中；(3)在阳极和阴极之间施加电压，使涂层金属的阳离子在多孔材料基材的孔隙表面被还原并沉积形成电镀涂层。通过控制沉积的时间，可以调控最终过滤材料的孔结构。当多孔材料基材质软且薄时，使基材舒展固定之后再沉积，从而使涂层分布均匀。与传统的制备工艺相比，工艺简单且生产效率高。
在沉积之前最好对多孔材料基材的孔隙表面进行表面处理，表面处理包括清洗、调整基材表面平整度以及粗化处理，其作用在于使电镀涂层的附着力更强，不易脱落，使用寿命长。其中，清洗的作用在于去除孔隙表面的油脂等影响涂层附着强度的杂质；调整基材表面的平整度是为了使涂层分布均匀；粗化处理是采用机械法或化学法来提升基材孔隙表面的表面粗糙度，从而增加电镀涂层与孔隙表面的接触面积，提升二者之间的结合力。
进一步，为了获得更均匀的电镀涂层且提升沉积的速度，可以在沉积之前对基材的孔隙表面进行敏化处理；所述敏化处理包括将基材浸泡于PH为4.0-4.5的氯化亚锡敏化液中以及随后的水洗过程。
进一步，所述电解液中还含有均匀分散的固体颗粒。在一定的电压作用下，电解液中的涂层金属阳离子与固体颗粒共沉积到基材的孔隙表面，固体颗粒在涂层表面堆积，使涂层的表面粗糙度和比表面积显著提升。
进一步，所述固体颗粒的平均粒径为0.01-19μm。如果固体颗粒的粒径过大，则可能导致电镀涂层的附着力差，所得过滤材料易因涂层的脱落而使孔隙被堵塞；如果固体颗粒的粒径过小，那么所得涂层表面光滑，所得过滤材料的比表面积小。进一步，所述固体颗粒指各种难溶的氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等，如SiC和MoS2。
进一步，上述方法还包括在沉积之前对所述多孔材料基材进行预轧制。通过预轧制可以进一步降低多孔材料基材的孔径，减小涂层的厚度及沉积的时间。进一步，所述多孔材料基材由至少两张泡沫金属叠加轧制而成，多层泡沫金属轧制而成的基材具有更好的强度。优选地，所述轧制的压力为50-600T。
由于本实用新型所采用的多孔材料基材的可成型性好、强度高，因此可以将对应的过滤材料制成各种形状的过滤元件。或根据现有过滤元件的形状，在对应形状的多孔材料基材上增加电镀涂层。不同孔径的过滤材料可以进一步组成多级过滤元件。该过滤元件应用于气体净化，尤其是应用于室内空气净化时，由于与其对应地多孔材料基材相比，具有电镀涂层的过滤材料的平均孔径显著减小，因此其过滤精度更高，可以满足室内空气净化质量要求。
附图说明
图1为过滤材料的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
采用Ni-Cu固溶体合金构成的多孔材料为基材(1)，其平均孔径为20μm，孔隙率为50％，对应的过滤材料的制备方法如下：1)配制电解液：所述电解液含有185g/L的KCl、78g/L的ZnCl2、24g/L的H3BO3、32g/L的BFJ-23A和1.1mL/L的ZN-28，采用超声分散均匀，PH为5-5.5；2)基材(1)表面处理：首先，采用平均粒度为10μm的砂料对基材(1)的孔隙表面(2)进行粗化处理，处理时间为10min；然后，将基材(1)浸渍于浓度为50g/L、温度为80℃的氢氧化钠溶液中并保持30min，然后用无水乙醇清洗三次，干燥备用；3)敏化处理：以PH为4.0-4.5的氯化亚锡溶液为敏化剂，将基材(1)置于敏化剂中浸渍30min，然后取出并水洗干燥；4)以敏化后的基材(1)为阴极，以锌棒为阳极，将阳极和阴极插入电解液中，二者之间的距离为15cm；5)在30℃下,在阳极和阴极之间施加电压，使阴极的电流密度为2.5A/dm2，则电解液中的锌离子在基材(1)的孔隙表面(2)被还原并沉积形成均匀的锌涂层(3)。经过30min的沉积，所得过滤材料的结构示意图见图1，其平均孔径为7μm、孔隙率为43％，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且锌涂层(3)未有任何脱落现象。
实施例2
采用泡沫铝为多孔材料基材(1)，其平均孔径为0.3mm，孔隙率为80％，在300T的压力下轧制2min，轧制后的泡沫铝的平均孔径为0.14mm，孔隙率为71％；对应的过滤材料的制备方法如下：1)配制电解液：所述电解液为AlCl3-NaCl-KCl三元熔融盐体系，包含重量份数为11％的NaCl，11％的KCl和78％的AlCl3；2)基材(1)表面处理：首先，采用平均粒度为15μm的砂料对基材(1)的孔隙表面(2)进行粗化处理，处理时间为10min；然后，将基材(1)浸渍于浓度为60g/L、温度为80℃的磷酸钠溶液中并保持30min，然后用无水乙醇清洗三次，干燥备用；3)敏化处理：以PH为4.0-4.5的氯化亚锡溶液为敏化剂，将基材(1)置于敏化剂中浸渍30min，然后取出并水洗干燥；4)以敏化后的基材(1)为阴极，以铝棒为阳极，将阳极和阴极插入电解液中，二者之间的距离为15cm；5)在160℃下，在阳极和阴极之间施加电压，使阴极电流密度为5A/dm2，则电解液中的铝离子在基材(1)的孔隙表面(2)被还原并沉积形成均匀的铝涂层(3)。经过240min的沉积，所得过滤材料的结构示意图见图1，其平均孔径为30μm，孔隙率为59％，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且铝涂层(3)未有任何脱落现象。
实施例3
采用两张平均孔径为0.25mm、孔隙率为90％的泡沫镍为多孔材料基材(1)，将两张泡沫镍叠加并在350T的压力下热轧制4min，轧制后的平均孔径为0.08mm，孔隙率为79％；对应的过滤材料的制备方法如下：1)配制电解液：所述电解液包含0.1mol/L的SnSO4、0.2mol/L的K4P2O7、0.01mol/L的AgNO3和50mg/L的聚乙二醇6000，采用超声分散均匀，其PH为7.5-8.5；2)基材(1)表面处理：首先，采用平均粒度为20μm的砂料对基材(1)的孔隙表面(2)进行粗化处理，处理时间为10min；然后，将基材(1)浸渍于浓度为60g/L、温度为80℃的磷酸钠溶液中并保持30min，然后用无水乙醇清洗三次，干燥备用；3)敏化处理：以PH为4.0-4.5的氯化亚锡溶液为敏化剂，将基材(1)置于敏化剂中浸渍30min，然后取出并水洗干燥；4)以敏化后的基材(1)为阴极，以铂金钛网为阳极，将阳极和阴极插入的电解液中，二者之间的距离为15cm；5)在25℃下，在阳极和阴极之间施加电压，使阴极的电流密度为3A/dm2，则电解液中的锡离子和银离子在基材(1)的孔隙表面(2)被还原并沉积形成均匀的锡-银涂层(3)，经过180min的沉积，所得过滤材料的结构示意图见图1，其平均孔径为15μm、孔隙率为67％，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且锡-银涂层(3)未有任何脱落现象。
实施例4
采用Ni-Cr固溶体合金构成的多孔材料为基材(1)，其平均孔径为20μm，孔隙率为45％；对应的过滤材料的制备方法如下：1)配制电解液：所述电解液含有185g/L的KCl、78g/L的ZnCl2、24g/L的H3BO3、32g/L的BFJ-23A、1.1mL/L的ZN-28和5g/L的SiC颗粒(4)，其PH为5-5.5，SiC颗粒(4)的平均粒径为1μm，采用超声分散使SiC颗粒(4)分散均匀；2)基材(1)表面处理：首先，采用平均粒度为10μm的砂料对基材(1)的孔隙表面(2)进行粗化处理，处理时间为10min；然后，将基材(1)浸渍于浓度为50g/L、温度为80℃的氢氧化钠溶液中并保持30min，然后用无水乙醇清洗三次，干燥备用；3)敏化处理：以PH为4.0-4.5的氯化亚锡溶液为敏化剂，将基材(1)置于敏化剂中浸渍30min，然后取出并水洗干燥；4)以敏化后的基材(1)为阴极，以锌棒为阳极，将阳极和阴极插入电解液中，二者之间的距离为15cm；5)在30℃下，在阳极和阴极之间施加电压，使阴极的电流密度为3A/dm2，则锌离子在基材(1)的孔隙表面(2)被还原并与SiC颗粒(4)共沉积形成均匀的锌-SiC颗粒复合涂层(3)，经过180min的沉积，所得过滤材料的结构示意图见图1，其平均孔径为1μm，孔隙率为32％，过滤精度显著提升。当被用于室内空气净化时，过滤效率在90％以上，使用6月后的过滤精度仍在85％以上，且锌-SiC颗粒复合涂层(3)未有任何脱落现象。
将上述过滤材料裁剪、折叠为平板型、圆筒型或其他形状的过滤元件，可以但不仅限于采用以下两种方式。一种是将两张不同孔径的过滤材料制成两级过滤元件，平均孔径较大的第一级过滤材料先与待过滤物接触，截留住较大的颗粒物，然后较小的颗粒物被第二级过滤材料截留。另外一种是将两种不同孔径的多孔材料基材叠加轧制，然后再采用上述方法附着热喷涂涂层，然后制成过滤元件，平均孔径较大的一侧先与待过滤物接触，截留住较大的颗粒物，然后较小的颗粒物被另一侧截留。