本发明涉及一种空气过滤材料，具体来说，涉及一种低阻抗高效能空气过滤材料及其制备方法。
背景技术：
空气过滤材料的作用是通过纤维拦截和捕捉粉尘，以达到气固分离目的。空气过滤材料可以拦截空气中的粉尘。通常来说，为了提高过滤效率，将空气过滤材料制备的非常致密。虽然致密的空气过滤材料可以提高过滤效率，但是空气过滤材料工作时的阻力很大，导致能耗很高。现在应用的空气过滤材料多是具有高效率、高能耗的性能特征。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种低阻抗高效能空气过滤材料及其制备方法，在确保过滤效率的同时，降低空气过滤材料工作时的阻力，减少能耗。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用以下技术方案：
一方面，本发明实施例提供一种低阻抗高效能空气过滤材料，包括基层和薄膜层，薄膜层固定连接在基层表面，所述基层为非织造针刺过滤毡，薄膜层为采用静电纺丝工艺多次循环往复喷涂在基层表面的纳米纤维非织造层。
另一方面，本发明实施例提供一种低阻抗高效能空气过滤材料的制备方法，该方法包括：
步骤10）将两种不同熔点的纤维投料进入棉箱，拌合均匀，经梳理机梳理成网；经针刺固结后，形成针刺非织造布；
步骤20）将针刺非织造布置入烘箱中，利用热风穿透针刺非织造布，并使针刺非织造布处于半熔融状态；然后在输送帘的作用下将针刺非织造布传送至冷轧辊，进行快速冷激定型，形成作为基层的非织造针刺过滤毡；
步骤30）将基层用储布架进行卷绕，储布架置于静电纺丝设备前端50～75 cm处，将基层作为静电纺丝喷射丝的载体；
步骤40）利用无针头静电纺丝设备，采用溶液静电纺丝工艺，将纳米纤维喷射至基层表面，纳米纤维沉降至基层表面，经过多次循环往复喷射，在基层表面形成纳米纤维非织造层；将含有纳米纤维非织造层的基层进行挤压和快速冷凝，并经热轧复合，使纳米纤维非织造层与基层嵌合，从而制成空气过滤材料。
作为优选例，所述步骤10）中，两种不同熔点的纤维是指PET短纤维和PP短纤维。
作为优选例，所述PET短纤维的厚度为1.5D，PP短纤维的厚度为1.35D，且PET短纤维和1.35D的PP短纤维按照质量比1:1进行混合。
作为优选例，所述步骤20）中，将针刺非织造布按照每分钟3米的速度置入烘箱中；所述热风的温度比熔点较低的纤维的熔点温度低8～12℃。
作为优选例，所述步骤20）中，基层的克重为80～150g/㎡。
作为优选例，所述步骤30）中，将基层用储布架按速度2.5m/min进行卷绕。
作为优选例，所述步骤40）中，纳米纤维非织造层是由纳米纤维在基层表面叠加2～4层形成。
作为优选例，所述步骤40）中，采用溶液静电纺丝工艺中，基层的卷绕速度是2.5m/min。
作为优选例，所述步骤40）中，薄膜层克重为3～12g/㎡，空气过滤材料克重≤200克/㎡。
与现有技术相比，本发明实施例的空气过滤材料及其制备方法，在确保过滤效率的同时，降低空气过滤材料工作时的阻力，减少能耗。
本发明实施例将两种熔点纤维固结形成的高强度低克重非织造针刺过滤毡与溶液法制备的纳米纤维薄膜的复合。作为支撑体的非织造针刺过滤毡孔隙率高，无法作为过滤介质形式存在。但是非织造针刺过滤毡很好的解决了静电纺丝纳米纤维强度低的问题。经过张力辊的挤压和冷凝辊的急冷却，可增强纳米纤维薄膜层与非织造针刺过滤毡贴合力，进一步避免纳米纤维薄膜层脱落。
具体实施方式
下面详细介绍本发明实施例采用的技术方案。
本发明实施例提供的一种低阻抗高效能空气过滤材料，包括基层和薄膜层。薄膜层固定连接在基层表面，所述基层为非织造针刺过滤毡，薄膜层为采用静电纺丝工艺多次循环往复喷涂在基层表面的纳米纤维非织造层。
该实施例中，通过基层和薄膜层对空气中的粉尘进行过滤。基层的克重为80～150g/㎡，薄膜层克重为3～12g/㎡，空气过滤材料克重≤200克/㎡。这样，相比较现有的克重大于450g/㎡的除尘过滤针刺毡，本申请的空气过滤材料为超低克重的材料。因此，本申请空气过滤材料的过滤效率更高，同时，阻抗更小。
上述实施例的空气过滤材料的制备方法，包括：
步骤10）将两种不同熔点的纤维投料进入棉箱，拌合均匀，经梳理机梳理成网；经针刺固结后，形成针刺非织造布。
其中，步骤10）中，两种不同熔点的纤维是指PET短纤维和PP短纤维。作为优选，所述PET短纤维的厚度为1.5D，PP短纤维的厚度为1.35D，且PET短纤维和1.35D的PP短纤维按照质量比1:1进行混合。
步骤20）将针刺非织造布置入烘箱中，利用热风穿透针刺非织造布，并使针刺非织造布处于半熔融状态；然后在输送帘的作用下将针刺非织造布传送至冷轧辊，进行快速冷激定型，形成作为基层的非织造针刺过滤毡。
其中，步骤20）中，作为优选，将针刺非织造布按照每分钟3米的速度置入烘箱中。所述热风的温度比熔点较低的纤维的熔点温度低8～12℃。当热风温度设置与熔点温度相当或高于熔点温度时，纤维会发生熔融，所以热风的温度比熔点较低的纤维的熔点温度低8～12℃，针刺非织造布处于半熔融状态时，形态既没有改变，纤维间也容易粘合。基层的克重优选为80～150g/㎡。
在输送帘的作用下将针刺非织造布传送至冷轧辊，进行快速冷激定型。在此过程中，受到冷凝作用的低熔点纤维会迅速与高熔点纤维形成固结抱合，因熔融粘合而使纤维网固结，形成低克重状态下能够实现高强度。而经过冷轧辊急冷却可使双组份纤维之间的抱合更加紧密，强度进一步提高，降低了伸长率，使其具备了作为纳米纤维薄膜材料的支撑体形式存在。冷轧辊的作用还使针刺非织造布表面更加平滑，为纳米纤维在其表面均匀的沉降提供了条件。
步骤30）将基层用储布架进行卷绕，储布架置于静电纺丝设备前端50～75 cm处，将基层作为静电纺丝喷射丝的载体。
作为优选，步骤30）中，将基层用储布架按速度2.5m/min进行卷绕。
步骤40）利用无针头静电纺丝设备，采用溶液静电纺丝工艺，将纳米纤维喷射至基层表面，纳米纤维沉降至基层表面，经过多次循环往复喷射，在基层表面形成纳米纤维非织造层；将含有纳米纤维非织造层的基层进行挤压和快速冷凝，并经热轧复合，使纳米纤维非织造层与基层嵌合，从而制成空气过滤材料。
作为优选，所述步骤40）中，纳米纤维非织造层是由纳米纤维在基层表面叠加2～4层形成。采用溶液静电纺丝工艺中，基层的卷绕速度是2.5m/min。薄膜层克重为3～12g/㎡，空气过滤材料克重≤200克/㎡。
将含有纳米纤维非织造层的基层进行挤压，可以通过张力辊实现。经过挤压作用，可以增加纳米纤维在冷凝前与非织造针刺过滤毡中的纤维充分络合。然后经过冷凝辊的急冷却，使纳米纤维薄膜牵伸力得到提高。将覆盖有纳米纤维非织造薄膜的过滤材料通过热轧辊热轧，使纳米纤维非织造薄膜与基层更加牢固的嵌合在一起，避免纳米纤维非织造薄膜从基层表面脱落。
上述实施例制备的空气过滤材料，基层的克重为80～150g/㎡。基层为超低克重高强度针刺毡。该基层作为薄膜层的载体，解决了纳米纤维自身的强度问题。
传统空气过滤材料是以针刺或水刺法制备的非织造布作为基础的过滤单元，以增加材料克重和致密度来达到高效率，高克重和较大的致密度导致透气性下降，阻力大。为了进一步提高过滤效率，在非织造表面薄膜贴合一层以拉延法制备的PTFE微孔薄膜作为进一步保障措施，使阻力进一步提升，而拉延法制备的微孔膜相对于静电纺丝纳米纤维薄膜而言，孔隙不均匀，也使透气性能下降，阻力大。本发明实施例中薄膜层的过滤效率和阻力可以根据需要调整叠加层数来调节，而无需通过作为支撑单元的针刺非织造布提高致密性和克重来实现。这使空气过滤材料的过滤层大幅度降低，降低了材料消耗和过滤阻力。
本发明实施例的制备方法中，步骤40）采用多次循环往复喷射，在基层表面形成纳米纤维非织造层。通过合理设置纳米纤维在基层上的叠加层数，确保空气过滤材料的过滤效率和降低阻力的要求。步骤40）中，将纳米纤维直接喷射沉降在基层表面，在未冷凝前施以机械力压的工艺，使孔隙的均匀性、通透性和孔目数得以保证。通过快速冷凝以及经热轧复合，使纳米纤维非织造层与基层嵌合，克服了薄膜层容易从基层脱落的难题。
本发明实施例的空气过滤材料，在基层表面设置了薄膜层，相对于不通过膜过滤工艺制备的普通针刺和水刺过滤材料而言，本实施例的空气过滤材料过滤精度得以保持更高标准。
本发明实施例的制备方法中，通过采用溶液静电纺丝工艺制备的纳米纤维非织造层，相比利用拉延法制备的PTFE薄膜过滤材料而言，孔隙更加均匀，微孔孔目数更多及膜对气流的通透性也更高。
利用溶液电纺薄膜纤维，尤其对于直径小于60nm的纳米级纤维，对颗粒物有良好的线性滑移效应特征，使过滤压降降低。
不同于普通的微米以上级纤维对颗粒物的惯性撞击，本实施例使过滤压降低，所以综合阻力明显低于其他过滤介质。为高效滤尘装备的低能耗在材料上实现了保障。
本发明实施例，利用两种熔点纤维经高温热熔并固结，将静电纺丝纳米纤维喷射至非织造布表面并做叠加层，通过急冷凝和表面负压使膜与基层的纤维充分嵌合，避免膜材脱落。而现有技术是将纤维通过梳理、针刺固结制备成高致密高克重≥400g/㎡的非织造布，该非织造布的功能是以过滤为主要目的。为了进一步提高过滤效率将避免覆膜作为进一步的选项，且膜的制备工艺是拉延法制备的，孔隙不均匀。本实施例制备的过滤材料，是运用溶液法制备的纳米级纤维的滑溜效应，使气流通过的阻力低于普通滤料纤维（直径大于500nm）对气流的阻力拦截。本发明实施例颠覆了传统薄膜过滤材料的高效高阻的结构性问题，使滤料的高效能、低阻力成为可能。
本发明实施例的空气过滤材料可作为工业袋式除尘器的心脏—滤袋使用，可解决工业袋式除尘设备高能耗的通病，使工业袋式滤尘设备在实现超低排放的同时，更能实现低能耗，达到真正节能的目的。本发明实施例也可用于室内新风系统滤尘和暖通空调过滤，还可制备防雾霾纱窗和防雾霾及工业安防口罩和工业滤芯、空气过滤器用滤材。
下面例举具体实施例，已验证本发明具有高强度、低阻力和高过滤性能。
实例1
一种低阻抗高效能空气过滤材料的制备方法，包括：
步骤10）将两种不同熔点的纤维投料进入棉箱，拌合均匀，经梳理机梳理成网；经针刺固结后，形成针刺非织造布；所述两种不同熔点为厚度为1.5D的PET短纤维和厚度为1.35D的PP短纤维，且PET短纤维和1.35D的PP短纤维按照质量比1:1进行混合。
步骤20）将针刺非织造布按照每分钟3米的速度置入烘箱中，利用热风穿透针刺非织造布，并使针刺非织造布处于半熔融状态；然后在输送帘的作用下将针刺非织造布传送至冷轧辊，进行快速冷激定型，形成作为基层的非织造针刺过滤毡；所述热风的温度比熔点较低的纤维的熔点温度低8℃。
步骤30）将基层用储布架按速度2.5m/min进行卷绕，储布架置于静电纺丝设备前端50～75 cm处，将基层作为静电纺丝喷射丝的载体；
步骤40）利用无针头静电纺丝设备，采用溶液静电纺丝工艺，基层的卷绕速度是2.5m/min，将纳米纤维喷射至基层表面，纳米纤维沉降至基层表面，经过多次循环往复喷射，在基层表面形成4层纳米纤维非织造层；将含有纳米纤维非织造层的基层进行挤压和快速冷凝，并经热轧复合，使纳米纤维非织造层与基层嵌合，从而制成空气过滤材料。
上述实例制成的空气过滤材料克重为160克/㎡。
对比例1
现有的空气过滤材料，材料为涤纶微孔覆膜滤料，克重为460克/㎡。
对实例1和对比例1分别进行强度测试、过滤效率测试和阻力测试。其中，强度测试按照国标号GB/T6719-2009的方法进行。过滤效率测试按照国标号GB/T6719-2009的方法进行。阻力测试按照国标号GB/T6719-2009的方法进行。测试结果如表1所示。
表1
从表1可以看出：实例1和对比例1的强度和过滤效果基本相同，但是实例1阻力系数只有对比例1的1/3左右。可见，本实例1的空气过滤材料的阻力明显降低。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。