一种复合结构过滤毡及其制备方法和应用与流程

本发明属于过滤材料技术领域，具体涉及一种复合结构过滤毡及其制备方法和应用。

背景技术：

空气是人类赖以生存的必要条件，由于生产和人类各种活动的影响，特别是工业废气的大量任意排放，空气中含有过量的粉尘及有害气体而遭到不同程度的污染。这几年来，pm2.5引起了社会的广泛关注，粉尘对呼吸道和眼睛等器官会造成很大危害。根据“绿色gdp核算报告”表明，仅北京一个城市，每年因环境污染造成的损失就高达116亿多元，其中大气污染对北京市造成的经济损失最严重，高达95.2亿元，占总污染造成损失的81.75％，由此可看出，环境污染对经济和社会的影响非常大，特别是大气污染更应值得关注。

目前市场上的纤维空气过滤材料主要有玻璃纤维、聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、活性炭纤维等，但滤料大部分是直通结构，仅对0.3μm以上的颗粒有较高的过滤效率，对亚微米颗粒以及较小粒子难以实现有效过滤。对于传统空气过滤材料，其使用周期短过滤阻力大，已无法完全满足人们对高效过滤材料的要求。静电纺丝技术是一种简便高效的制造亚微米至纳米纤维的新型加工技术，其制备的纤维膜具有高孔隙率和大比表面积，广泛应用于空气过滤、防护服、传感器、创伤包敷、组织工程支架和膜分离材料领域。静电纺纳米纤维由于独特的优势，对于颗粒过滤的直接拦截效应和惯性冲击效应更为显著，从而提高滤材的过滤效率。

研究表明以纤维过滤介质为基底，纤维表面生长碳纳米管形成具有梯度结构的碳纳米空气过滤材料，由于过滤材料中梯度结构的存在使滤材具有过滤效率高，过滤阻力低等特点。以微珠/纳米纤维组合的具有梯度结构的复合空气过滤材料，非织造布做基材和保护层，点状热轧复合得到三明治结构过滤材料对1μm以下颗粒的过滤效率达到99％以上，阻力压降小于120pa。但现有过滤材料仍存在对空气的过滤效率低、使用周期短和造成二次污染的缺陷。

技术实现要素：

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种复合结构过滤毡。

本发明的另一目的在于提供上述复合结构过滤毡的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述复合结构过滤毡在空气过滤中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种复合结构过滤毡，由过滤功能层和包覆在过滤功能层上、下表面的保护层构成，其中过滤功能层由具有三维卷曲结构纤维的再生纤维层和静电纺丝纳米纤维层复合而成。

所述再生纤维层和纳米纤维层复合的方式为再生纤维层与纳米纤维层层叠复合，或再生纤维单纤维上杂植纳米纤维层复合得到。

优选地，所述再生纤维层单层的克重为10～50g/m²；纳米纤维层单层的克重为0.1～3g/m²。

优选地，所述过滤功能层的克重为50～400g/m²。

优选地，所述具有三维卷曲结构纤维的卷曲结构包括z型、螺旋形、波浪形等卷曲结构；卷曲数为1～15个/25mm，纤维直径为5～50μm；所述静电纺丝纳米纤维的纤维直径为60～1000nm。

优选地，所述保护层的材料为纺粘非织造布、热风非织造布、纺粘/熔喷复合非织造布；材质为普通聚丙烯、茂金属聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃共聚物中的至少一种；保护层的克重为15～40g/m²。

优选地，所述再生纤维包括再生纤维素纤维或再生蛋白质纤维；其中再生纤维素纤维包括铜铵纤维、粘胶纤维、皂化醋酯纤维中的至少一种；再生蛋白质纤维包括酪素纤维、大豆蛋白纤维、牛奶蛋白纤维、花生纤维、角朊纤维、丝素纤维、明胶纤维中的至少一种。

优选地，所述静电纺丝纳米纤维层的纤维材料为聚乳酸或其共聚物、聚己内酯或其共聚物、聚羟基脂肪酸酯、聚酯-聚醚共聚物、聚酯-酰胺共聚物、聚乙烯醇或其共聚物、甲壳素、海藻酸盐、明胶、玉米醇溶蛋白中的至少一种。

上述复合结构过滤毡的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)将具有三维卷曲结构的再生纤维经过充分开梳，形成单纤维状态；

(2)通过静电纺丝工艺，在再生纤维单纤维上杂植纳米纤维层；或将再生纤维单纤维铺叠成单层克重为10～50g/m²的纤维网层，通过静电纺丝工艺在纤维网层上制备纳米纤维层，将复合有纳米纤维层的再生纤维层通过针刺或者热轧多层复合，得到克重为50～400g/m²的过滤功能层；

(3)在过滤功能层上、下表面包覆保护层，得到所述复合结构过滤毡。

所述在再生纤维单纤维上杂植纳米纤维层的过程为：将再生纤维单纤维采用外界扰动风分散，向扰动的纤维进行静电纺丝，使得静电纺丝纳米纤维在成型过程中直接被纷飞的再生纤维单纤维截获并粘附到单纤维上。

优选地，所述外界扰动风的温度为20～40℃，相对湿度为25％～95％，风速为0.1～20m/min。

上述复合结构过滤毡在空气过滤中的应用。特别适用于日常pm2.5空气污染的防护。

本发明的制备方法及所得到的复合结构过滤毡具有如下优点及有益效果：

(1)本发明所涉及的一种基于再生纤维和纳米纤维复合结构过滤毡不仅具有采用可再生微米级纤维利用三维卷曲结构提供蓬松的滤材骨架结构，同时利用依附于该微米纤维的二级微纳米纤维提供更高纤维比表面积，所得过滤材料过滤效率高，阻力低等，且所有材料都具有可再生性，将在一定程度上改善现有基于熔喷及驻极技术过滤材料对空气的过滤性能的电荷持久性依赖性，同时也为经济环境的可持续发展的实施提供了技术支撑。

(2)本发明以静电纺纳米纤维膜为夹层的复合结构过滤材料，更适合过滤细小微粒，相对于传统的高效过滤材料，相同的过滤效率其材料用量仅为后者的1/15，将纳米纤维和梯度结构结合更有利于增加了滤材的容尘量，延长了其使用寿命。同时，可生物再生纤维以及可再生聚合物的利用可以使过滤材料在废弃后重复利用，达到绿色环保低碳的效果。

附图说明

图1为本发明中复合结构过滤毡的层叠结构示意图；

图2为本发明实施例1中具有三维卷曲结构纤维的结构示意图，(图中纤维长度为25mm)；

图3为本发明实施例2中具有三维卷曲结构纤维的结构示意图，(图中纤维长度为25mm)；

图4为本发明实施例3中具有三维卷曲结构纤维的结构示意图，(图中纤维长度为25mm)；

图5为本发明实施例1中过滤功能层的结构示意图；

图6为本发明实施例2中过滤功能层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的一种复合结构过滤毡，其层叠结构示意图如图1所示，由过滤功能层和包覆在过滤功能层上、下表面的保护层构成，其中过滤功能层由具有三维卷曲结构纤维的再生纤维层和静电纺丝纳米纤维层复合而成。所述上、下表面的保护层为克重为25g/m²的茂金属聚丙烯纺粘单层非织造布；所述再生纤维层为克重为15g/m²的z型卷曲结构粘胶纤维网层，其中粘胶纤维为非圆形界面，无空腔，纤维直径为30～35μm，卷曲数为12个/25mm，所述z型卷曲结构粘胶纤维的结构示意图如图2所示；所述纳米纤维层为克重为0.8g/m²的聚乳酸纤维层，聚乳酸纤维的直径为300～400nm，纤维为近圆形，纤维上有大量孔洞。

本实施例的复合结构过滤毡通过如下方法制备：

将粘胶短纤维梳理成单纤维状态后铺叠成网，克重为15g/m²，其中粘胶短纤维为z型卷曲结构非圆形截面，无空腔，纤维直径为30-35μm，卷曲数为12个/25mm。以纤维网层为接收端，采用针头静电纺丝技术复合一层聚乳酸纳米纤维层，得到再生纤维层与纳米纤维层层叠复合的复合过滤层。静电纺丝条件为：聚乳酸(pla，mw＝3×10⁵g/mol)经过真空干燥后(60℃，12h)以氯仿:dmf比例为1:1为溶剂，溶液浓度15％，纺丝电压15kv，接收距离15cm，溶液供应量0.4μl/h/孔。所得纳米纤维的直径为300～400nm，纤维为近圆形，纤维上有大量孔洞。纳米纤维克重为0.8g/m²。三层该复合过滤层通过针刺或者热轧复合构成过滤功能层，所述过滤功能层的结构示意图如图5所示；然后在过滤功能层上、下表面复合克重为25g/m²的茂金属聚丙烯纺粘单层非织造布保护层，得到所述复合结构过滤毡。

本实施例所得复合结构过滤毡对0.24μm的nacl气溶胶的过滤效率为99.3％，压力降为85pa。该过滤材料可适用于日常pm2.5空气污染的防护。

实施例2

本实施例的一种复合结构过滤毡，其层叠结构示意图如图1所示，由过滤功能层和包覆在过滤功能层上、下表面的保护层构成，其中过滤功能层由具有三维卷曲结构纤维的再生纤维层和静电纺丝纳米纤维层复合而成。所述上、下表面的保护层为克重为20g/m²的茂金属聚丙烯和普通聚丙烯sms非织造布；所述再生纤维层为螺旋形卷曲结构铜铵纤维单纤维，其中铜铵纤维有一空腔，空腔率为15％，纤维直径为20～25μm，卷曲数为15个/25mm，所述螺旋形卷曲结构铜铵纤维的结构示意图如图3所示；所述纳米纤维层为克重为0.1g/m²的pcl纤维层，pcl纤维的直径为50～200nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。

本实施例的复合结构过滤毡通过如下方法制备：

将铜铵短纤维梳理成单纤维状态后，其中铜铵纤维为螺旋形卷曲结构，有一空腔，空腔率为15％，纤维直径为20～25μm，卷曲数为15个/25mm。以铝板为零电极端，将铜铵纤维在接近铝板方向从一个方向用扰动空气进行喷吹，且与喷吹角度呈180°方向间隔1min进行抽吸，纤维沉落形成纤维网层，扰动风温为25℃，相对湿度60％，风速为10m/min，向扰动的纤维进行自由表面静电线电极纺丝，在再生纤维单纤维上杂植纳米纤维层。静电纺丝条件为：以pcl为原料(mw＝2.5×10⁵g/mol)经过真空干燥后(60℃，12h)，dmf为溶剂，溶液浓度15％，纺丝电压65kv，接收距离15cm，线电极滑块移动速度为0.5m/min。所得纳米纤维的直径为500～600nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。纳米纤维克重为0.1g/m²，控制接收有纳米纤维的铜铵纤维网层克重为20g/m²。五层该复合过滤层通过针刺或者热轧复合构成过滤功能层，所述过滤功能层的结构示意图如图6所示；然后在过滤功能层上、下表面复合克重为20g/m²茂金属聚丙烯和普通聚丙烯sms非织造布保护层，得到所述复合结构过滤毡。

本实施例所得复合结构过滤毡对0.24μm的nacl气溶胶的过滤效率为99％，压力降为60pa。该过滤材料可适用于日常pm2.5空气污染的防护。

实施例3

本实施例的一种复合结构过滤毡，其层叠结构示意图如图1所示，由过滤功能层和包覆在过滤功能层上、下表面的保护层构成，其中过滤功能层由具有三维卷曲结构纤维的再生纤维层和静电纺丝纳米纤维层复合而成。所述上、下表面的保护层分别为克重为40g/m²的聚乙烯和25g/m²聚烯烃共聚物纺粘非织造布；所述再生纤维层为克重为10g/m²的波浪形卷曲结构皂化醋酯纤维，其中皂化醋酯纤维无空腔，非圆形截面，纤维直径为5～10μm，卷曲数为8个/25mm，所述波浪形卷曲结构皂化醋酯纤维的结构示意图如图4所示；所述纳米纤维层为克重为1.0g/m²的pha纤维层，pha纤维的直径为400～600nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。

本实施例的复合结构过滤毡通过如下方法制备：

将皂化醋酯短纤维梳理成单纤维状态后梳理成纤维网层，其中皂化醋酯纤维为波浪形卷曲结构，无空腔，非圆形截面，纤维直径为5～10μm，卷曲数为8个/25mm，纤维网层克重10g/m²。以该皂化醋酯短纤维梳理网层为接收端，进行离心静电纺丝，以pha为原料(mw＝5.5×10⁵g/mol)经过真空干燥后(60℃，8h)，dmf为溶剂，溶液浓度12％，纺丝电压25kv，接收距离10cm，离心纺丝转速350r/min，纺丝供液量为15g/h。所得纳米纤维的直径为400～600nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。纳米纤维克重为1.0g/m²。二层该复合过滤层通过针刺或者热轧复合构成过滤功能层，然后在过滤功能层上、下表面分别复合克重为40g/m²聚乙烯和25g/m²聚烯烃共聚物纺粘非织造布保护层，得到所述复合结构过滤毡。

本实施例所得复合结构过滤毡对0.24μm的nacl气溶胶的过滤效率为99.9％，压力降为110pa。该过滤材料优先适用于高过滤精度要求pm2.5空气污染的防护。

实施例4

本实施例的一种复合结构过滤毡，其层叠结构示意图如图1所示，由过滤功能层和包覆在过滤功能层上、下表面的保护层构成，其中过滤功能层由具有三维卷曲结构纤维的再生纤维层和静电纺丝纳米纤维层复合而成。所述上、下表面的保护层分别为克重为15g/m²的聚丙烯sss纺粘非织造布和25g/m²聚烯烃共聚物纺粘非织造布；所述再生纤维层为克重为20g/m²的螺旋形卷曲结构大豆蛋白纤维网层，其中大豆蛋白纤维无空腔，非圆形截面，纤维直径为15～20μm，卷曲数为1个/25mm，所述纳米纤维层为克重为3.0g/m²的聚酯-聚醚共聚物纤维层，聚酯-聚醚共聚物纤维的直径为400～800nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。

本实施例的复合结构过滤毡通过如下方法制备：

将大豆蛋白短纤维梳理成单纤维状态后梳理成纤维网层，其中大豆蛋白纤维为螺旋形卷曲结构，无空腔，非圆形截面，纤维直径为15～20μm，卷曲数为1个/25mm，纤维网层克重20g/m²。以该大豆短纤维梳理网层为接收端，进行离心静电纺丝，以聚酯-聚醚共聚物为原料(mw＝2.5×10⁵g/mol)经过真空干燥后(80℃，12h)，六氟异丙醇为溶剂，溶液浓度15％，纺丝电压35kv，接收距离10cm，离心纺丝转速400r/min，所得纳米纤维的直径为400～800nm，纺丝供液量为12g/h。纤维为近圆形，纤维上无孔洞。纳米纤维克重为3g/m²。二层该复合过滤层通过针刺或者热轧复合构成过滤功能层，然后在过滤功能层上、下表面分别复合克重为15g/m²聚丙烯sss纺粘非织造布和25g/m²聚烯烃共聚物纺粘非织造布，得到所述复合结构过滤毡。

本实施例所得复合结构过滤毡对0.24μm的nacl气溶胶的过滤效率为99.97％，压力降为180pa。该过滤材料优先适用于高过滤精度要求pm2.5空气污染的防护。

实施例5

本实施例的一种复合结构过滤毡，其层叠结构示意图如图1所示，由过滤功能层和包覆在过滤功能层上、下表面的保护层构成，其中过滤功能层由具有三维卷曲结构纤维的再生纤维层和静电纺丝纳米纤维层复合而成。所述上、下表面的保护层为克重为20g/m²的聚丙烯ssmms非织造布；所述再生纤维层为z型卷曲结构牛奶蛋白纤维单纤维，其中牛奶蛋白纤维无空腔，纤维直径为20～25μm，卷曲数为1个/25mm，所述纳米纤维层为克重为0.1g/m²的明胶纤维层，明胶纤维的直径为200～400nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。

本实施例的复合结构过滤毡通过如下方法制备：

将牛奶蛋白短纤维梳理成单纤维状态后，其中牛奶蛋白短纤维为z型卷曲结构，无空腔，纤维直径为20～25μm，卷曲数为1个/25mm。以铝板为零电极端，将牛奶蛋白短纤维在接近铝板方向用从一个方向用扰动空气进行喷吹，且与喷吹角度呈180°方向间隔1min进行抽吸，纤维沉落形成纤维网层，扰动风温为20℃，相对湿度25％，风速为0.5m/min，向扰动的纤维进行针头静电纺丝，以明胶为原料，水为溶剂，内加0.1％醛类交联剂，溶液浓度15％，纺丝电压15kv，接收距离15cm，供液量为0.5μl/h/孔。所得纳米纤维的直径为200～400nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。纳米纤维克重为0.1g/m²，控制接收有纳米纤维的牛奶蛋白纤维网层克重为20g/m²。五层该复合过滤层通过针刺或者热轧复合构成过滤功能层，然后在过滤功能层上、下表面复合克重为20g/m²的聚丙烯ssmms非织造布，得到所述复合结构过滤毡。

本实施例所得复合结构过滤毡对0.24μm的nacl气溶胶的过滤效率为99％以上，压力降为55pa。该过滤材料可适用于日常pm2.5空气污染的防护。

实施例6

本实施例的一种复合结构过滤毡，其层叠结构示意图如图1所示，由过滤功能层和包覆在过滤功能层上、下表面的保护层构成，其中过滤功能层由具有三维卷曲结构纤维的再生纤维层和静电纺丝纳米纤维层复合而成。所述上、下表面的保护层为克重为15g/m²普通聚丙烯和聚乙烯sms非织造布；所述再生纤维层为螺旋形卷曲结构再生纤维素纤维单纤维，且纤维有两空腔，空腔率为20％，纤维直径为25～30μm，卷曲数为12个/25mm，所述纳米纤维层为克重为0.2g/m²的pcl纤维层，pcl纤维的直径为400～500nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。

本实施例的复合结构过滤毡通过如下方法制备：

将再生纤维素短纤维梳理成单纤维状态后，其中再生纤维素纤维为螺旋形卷曲结构，有两空腔，空腔率为20％，纤维直径为25～30μm，卷曲数为12个/25mm。以铝板为零电极端，将再生纤维素纤维在接近铝板方向从一个方向用扰动空气进行喷吹，且与喷吹角度呈180°方向间隔1min进行抽吸，纤维沉落形成纤维网层，扰动风温为30℃，相对湿度50％，风速为12m/min，向扰动的纤维进行针头静电纺丝，以pcl为原料(mw＝3.0×10⁵g/mol)经过真空干燥后(60℃，12h)，氯仿为溶剂，溶液浓度10％，纺丝电压15kv，接收距离10cm，供液量为0.5μl/h/孔。所得纳米纤维的直径为400～500nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。纳米纤维克重为0.2g/m²，控制接收有纳米纤维的丝素纤维网层克重为25g/m²。五层该复合过滤层通过针刺或者热轧复合构成过滤功能层，然后在过滤功能层上、下表面复合克重为15g/m²普通聚丙烯和聚乙烯sms非织造布，得到所述复合结构过滤毡。

本实施例所得复合结构过滤毡对0.24μm的nacl气溶胶的过滤效率为99％，压力降为80pa。该过滤材料可适用于日常pm2.5空气污染的防护。

实施例7

本实施例的一种复合结构过滤毡，其层叠结构示意图如图1所示，由过滤功能层和包覆在过滤功能层上、下表面的保护层构成，其中过滤功能层由具有三维卷曲结构纤维的再生纤维层和静电纺丝纳米纤维层复合而成。所述上、下表面的保护层分别为克重为20g/m²的聚乙烯和30g/m²聚烯烃共聚物热风非织造布；所述再生纤维层为克重为15g/m²的波浪形卷曲结构酪素纤维网层，其中酪素纤维空腔率为25％，圆形截面，纤维直径为10～15μm，卷曲数为10个/25mm，所述纳米纤维层为克重为1.5g/m²的pha纤维层，pha纤维的直径为500～700nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。

本实施例的复合结构过滤毡通过如下方法制备：

将酪素短纤维梳理成单纤维状态后梳理成纤维网层，其中酪素纤维为波浪形卷曲结构，空腔率为25％，圆形截面，纤维直径为10～15μm，卷曲数为10个/25mm，纤维网层克重15g/m²。以该酪素短纤维梳理网层为接收端，进行离心静电纺丝，以pha为原料(mw＝5.0×10⁵g/mol)经过真空干燥后(60℃，8h)，dmf为溶剂，溶液浓度14％，纺丝电压25kv，接收距离12cm，离心纺丝转速400r/min，纺丝供液量为12g/h。所得纳米纤维的直径为500～700nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。纳米纤维克重为1.5g/m²。四层该复合过滤层通过针刺或者热轧复合构成过滤功能层，然后在过滤功能层上、下表面分别复合克重为20g/m²的聚乙烯和30g/m²聚烯烃共聚物热风非织造布，得到所述复合结构过滤毡。

本实施例所得复合结构过滤毡对0.24μm的nacl气溶胶的过滤效率为99.9％，压力降为120pa。该过滤材料可适用于高过滤精度要求pm2.5空气污染的防护。

实施例8

本实施例的一种复合结构过滤毡，其层叠结构示意图如图1所示，由过滤功能层和包覆在过滤功能层上、下表面的保护层构成，其中过滤功能层由具有三维卷曲结构纤维的再生纤维层和静电纺丝纳米纤维层复合而成。所述上、下表面的保护层分别为克重为20g/m²的聚丙烯sss纺粘非织造布和15g/m²茂金属聚丙烯热风非织造布；所述再生纤维层为克重为25g/m²的z型卷曲结构牛奶蛋白纤维网层，其中牛奶蛋白纤维无空腔，圆形截面，纤维直径为20～25μm，卷曲数为5个/25mm，所述纳米纤维层为克重为2g/m²的聚酯-酰胺共聚物纤维层，聚酯-酰胺共聚物纤维的直径为400～700nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。

本实施例的复合结构过滤毡通过如下方法制备：

将牛奶蛋白短纤维梳理成单纤维状态后梳理成纤维网层，其中牛奶蛋白纤维为z型卷曲结构，无空腔，圆形截面，纤维直径为20～25μm，卷曲数为5个/25mm，纤维网层克重25g/m²。以该牛奶短纤维梳理网层为接收端，进行自由表面螺旋电极纺丝，以聚酯-酰胺共聚物为原料(mw＝3.0×10⁵g/mol)经过真空干燥后(80℃，9h)，氯仿为溶剂，溶液浓度12％，纺丝电压80kv，接收距离12cm，螺旋电极转动速度15r/min。所得纳米纤维的直径为400～700nm，纤维为近圆形，纤维上无孔洞。纳米纤维克重为2g/m²。二层该复合过滤层通过针刺或者热轧复合构成过滤功能层，然后在过滤功能层上、下表面分别复合克重为20g/m²的聚丙烯sss纺粘非织造布和15g/m²茂金属聚丙烯热风非织造布，得到所述复合结构过滤毡。

本实施例所得复合结构过滤毡对0.24μm的nacl气溶胶的过滤效率为99.97％，压力降为185pa。该过滤材料可适用于高过滤精度要求pm2.5空气污染的防护。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。