一种复合纤维及短纤维及滤料的制作方法

本发明涉及复合纤维滤料领域。

背景技术：

滤料主要分为两大类，一类是用以水处理设备中的进水过滤的粒状材料，通常指石英砂、砾石、无烟煤、鹅卵石、锰砂、磁铁矿滤料、果壳滤料、泡沫滤珠、瓷砂滤料、陶粒、石榴石滤料、麦饭石滤料、海绵铁滤料、活性氧化铝球、沸石滤料、火山岩滤料、颗粒活性炭、纤维球、纤维束滤料、彗星式纤维滤料等。另一类是物理分离的过滤介质，主要包括过滤布、过滤网、滤芯、滤纸以及最新的膜。对于后一种一般采用多层结构，每层通过粘接等方式进行结合，但是现有的粘接一方面粘接不牢固，另一方面粘接容易引入其他物质，影响过滤效果，采用胶水等粘接也容易堵塞纤维之间的缝隙，影响过滤性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对背景技术当中存在的问题，公开了一种复合纤维，所述复合纤维的包括聚丙烯腈纤维基体和无机带，所述的无机带由无机纳米粒子组成，所述的无机纳米粒子的表面覆盖有金属，所述的无机带沿着复合纤维的长度方向上延伸，在复合纤维的径向方向上，无机带的长度为复合纤维的径向长度并且位于纤维径向截面的中部。

作为改进，所述的无机纳米颗粒为碳化硅或氮化硅，粒径为50-500纳米。

作为改进，覆盖在无机纳米颗粒表面的金属为铁、铝、铜、银的一种或多种的混合物。

作为改进，复合纤维中无机带的重量比为1%-5%。

本发明还公开了一种短纤维，由本发明的复合纤维及其改进的复合纤维制备,所述的短纤维的长度为5mm-50mm，短纤维的直径为5-20μm。

本发明还公开了一种滤料，包括：

第一纤维网和第二纤维网，所述的第一纤维网和第二纤维网分别掺杂本发明所述的短纤维，所述的第一纤维网和第二纤维网贴合粘接，第一纤维网和第二纤维网中的短纤维相互缠接，并且使得第一纤维网和第二纤维网具有蓬松性能和连接性能好，所述的第一纤维网和第二纤维网均采用聚酰亚胺纤维，所述的第一纤维网和第二纤维网的密度为30-200g/m2。

附图说明

图1是喷嘴的示意图；

图2是图1是a-a1面的剖视图

图3是复合纤维截面示意图；

图4是复合纤维截面示意图；

图5是滤料的部件示意图；

图6是纺丝及短纤维制备工艺图

图中标记：1-第一输液道，11-第一进液口，2-第二输液道，21-第二进液口，3-喷嘴口，4-无机带电颗粒，5-第一电极片，6-第二电极片，7-计量泵，8-聚丙烯腈纤维基体，9-无机带，10-第一纤维网，11-第二纤维网，12-短纤维。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

实施例1：本实施例公开了一种复合纤维，如图3所示，所述复合纤维的包括聚丙烯腈纤维基体8和无机带9，图3是纤维的侧面观察的一个放大图，在图中可以看出，在纤维的中部形成一个无机带9，该无机带9由无机纳米粒子组成，所述的无机纳米颗粒相互聚集，无机纳米粒子的表面覆盖有金属。所述的无机带沿着复合纤维的长度方向上延伸，在复合纤维的径向方向上，如图4所示，无机带的宽度为复合纤维的径向长度并且位于纤维径向截面的中部。

在一个优选的实施例当中，所述的无机纳米颗粒为碳化硅或氮化硅，粒径为50-200纳米，碳化硅和氮化硅刚度大，热膨胀系数小，能够给纤维提供较高的强度，所述的粒径使得碳化硅或者氮化硅能够密集的聚集，提高纤维的强度，无机颗粒过于松散的话将降低纤维的强度。

在优选的一个实施例当中，覆盖在无机纳米颗粒表面的金属为铁、铝、铜、银的一种或多种的混合物，特别是铁或者铝，一来成本低廉，二来容易表面形成负电。本实施例的复合纤维无机带的质量含量为为1%-5%，优选的为5%。

本实施例还公开了一种短纤维，由本实施例所述的复合纤维制备,所述的短纤维的长度为5mm-50mm，短纤维的直径为5-20μm，所述的短纤维通过本发明所述的复合纤维通过切断或者拉断等工艺制备。

本发明还公开了一种滤料，如图5所示，其包括有第一纤维网10和第二纤维网11，所述的第一纤维网10和第二纤维网11分别掺杂有本发明所述的短纤维12，所述的第一纤维网和第二纤维网贴合粘接，如图5所示，第一纤维网中的短纤维和第二纤维网中的短纤维相互缠接，并且使得第一纤维网和第二纤维网具有蓬松性能和连接性能好，所述的第一纤维网和第二纤维网均采用聚酰亚胺纤维，所述的第一纤维网和第二纤维网的密度为30-200g/m²，由于本发明所述短纤维中无机带的增强作用，相比于传统的纤维本发明的短纤维具有一定的定型性能，拉伸强度大，一方面短纤维在缠接的时候不容易被拉断，另一方面缠接的短纤维也不容易被分离，使得本发明的短纤维能够增强第一纤维网和第二纤维网之间的结合强度，不容易撕裂，并且短纤维的具有一定的刚度也能够使得短纤维在第一纤维网和第二纤维网中起到骨架的作用，增大第一纤维网和第二纤维网的蓬松性，提高过滤效果。

本发明制备的复合纤维及其滤料具有较高的耐高温性，由于纤维中间有无机带，起到骨架作用，在较高的温度下，如接近熔融温度的时候，纤维表面部分开始熔融，但是中间的无机带却可以使得复合纤维和滤料保持足够的刚性，能够发挥性能。

本发明制备的滤料中的短纤维有点类似于粘扣的作用，由于短纤维的刚性，能够牢固的使得第一纤维网和第二纤维网紧贴，却不是引入胶水等新的物质，避免了胶水带来堵塞缝隙影响过滤、透气性的问题。

实施例2：如图6所示，本实施例公开了上述复合纤维的纺丝方法，所纺出的纤维中间具有一层无机纳米带，所述的无机纳米材料聚集在纤维的中部形成增强层，并且纤维的外层不含有无机材料，使得纤维在具有较强强度的同时保持纤维的柔软性。具体的，本发明的纤维的纺丝方法如下：

1）将分子量为6000-1000聚丙烯腈聚合物溶解于二甲基乙酰胺溶剂当中，形成第二纺丝液，所述的第二纺丝液的浓度为30%-40%；

2）制备无机纳米颗粒。无机颗粒的制备方法如下：首先将无机纳米颗粒和惰性气体形成悬浮气，其次将悬浮气通入真空熔炉中，真空熔炉含有铁蒸气，铁蒸气遇到无机纳米颗粒冷凝覆盖在无机纳米颗粒表面，并进行下沉析出，其中析出的混合物当中也包括部分可接受的杂质，如铁纳米颗粒等，

3）取第二纺丝液100份，将1-2份羧甲基纤维素钠和第二纺丝液混合搅拌使的羧甲基纤维素钠和第二纺丝液充分混合；其次将析出的无机颗粒5-10份加入到上述第二纺丝液中，采用超声波进行搅拌，羧甲基纤维素钠对纳米颗粒进行表面改性在纳米颗粒的表面金属形成负电，带有负电的纳米颗粒均匀的分散在纺丝液中进一步形成第一纺丝液；

4）将第一纺丝液输送到第一输液道中，将第二纺丝液输送到第二输液道中，给第一输液道施加垂直于第一纺丝液流动方向的电场使得第一纺丝液中的带电胶团聚集于第一输液道的边缘，控制第一纺丝液和第二纺丝液的流量，使得第一纺丝液和第二纺丝液的流量相同或不大于10%的误差；

4）第一输液道中的第一纺丝液和第二输液道中的第二纺丝液在喷嘴口混合，所述的第一纺丝液中的带电胶团在两个纺丝液混合后位于纺丝液的中间，混合后的纺丝液从喷嘴喷出纺丝形成初生纤维；

5）对初生纤维进行后处理，首先通过第一温度区和第二温度区，第一温度区温度高于聚丙烯腈玻璃化转变温度1℃-5℃，第二温度区低于熔融温度5℃-8℃；其次进行常规的牵引等操作。

除了上述步骤3的表面修饰外，也可以通过现有的其他常规表面活性剂对纳米颗粒进行表面修饰。

本实施例所述的第一纺丝液在纺丝的过程当中通过电场，电场方向垂直于第一纺丝液的流动方向，在电场作用下，第一纺丝液的带电纳米颗粒朝着第一输液道的一侧移动，并在一侧聚集，如图1所示，聚集有纳米颗粒的第一纺丝液和第二纺丝液混合并使得纳米颗粒聚集在混合后纺丝液的中部。如图2所示为观察到的a-a1截面的剖视图，该图可以看出在通过电场以及和第二纺丝液混合后的喷嘴口中的纺丝液中部聚集有无机纳米带，使得保持纤维柔顺性的同时提高纤维的强度。本发明可以用来制备过滤料以及用于滤料层间的增强短纤维。

其按照上述制备的改性后的纤维性能如下所示：

实施例3：本实施例公开了进行上述复合纤维纺丝的纺丝喷嘴以及纺丝设备，如图1所示，纺丝喷嘴包括：

第一输液道1，其向喷嘴口3输送第一纺丝液，第一纺丝液中分散了无机带电颗粒4，所述的无机带电颗粒为无机纳米颗粒，

第二输液道2，其向喷嘴口3输送第二纺丝液；

喷嘴口3，其分别收集从第一输液道和第二输液道收集的纺丝液，并进行喷出纺丝；

第一输液道上设有垂直于第一纺丝液流动方向的电场，所述的电场能够施加于第一输液道1中使得第一输液道中的无机带电颗粒4向着第一输液道的边缘聚集，以使得第一输液道的第一纺丝液和第二输液道的第二纺丝液混合后无机带电颗粒位于喷嘴口的中间，进而使得喷嘴口喷出的纤维丝中间设有无机颗粒带，其中电场的大小和长度根据纺丝需要自动调节以能在第一输液道1中将无机带电颗粒移动到第一输液道1的边缘即可。

为了能够在第一输液道上施加电场，如图1所述，纺丝喷嘴上设有第一电极片5和第二电极片6，第一电极片和第二电极片分别和电源的正极和负极连接以在第一电极片和第二电极片之间形成所述的电场。两个电极片的宽度等于或者大于第一输液道和第二输液道的宽度以能够使得第一输液道中的带电颗粒都能够处于电场中为准。电极片可以采用现有的常见材料，如铁、铜、铝等，厚度根据需要按照常规设置。

在一个优选的实施例当中，如图1所示，所述的第一电极片5位于第一输液道的外层，所述的第二电极片位于第二输液道的外侧。在另外的一些实施例当中，两个电机片只位于第一输液通道的两侧。

如图1所示的，在喷嘴口中，第一纺丝液和第二纺丝液的混合处(如图1中的a-a1面）到喷嘴口的喷口处（如图中b-b1面）截面积依次减小，图中的o电会第一纺丝液和第二纺丝液的混合点，在更优选的实施例当中，第二输液通道到o点处平滑过渡，以使得第一纺丝液和第二纺丝液能够平稳混合。

纺丝当中，第一纺丝液和第二纺丝液的流量需要相同或接近相同，因此在优选的实施例当中，第一输液道和第二输液道上设有控制第二纺丝液流速的计量泵7，该计量泵7能够被控制以控制流经第一输液道和第二输液道的液量。

如图1所示第一输液道设有第一进液口11，所述的第二输液道设有第二进液口21，第一进液口中流入第一纺丝液，第二进液口流入第二纺丝液。

本发明还公开了一种纺丝设备，所述的纤维纺丝设备包括纺丝设备本体和本发明的纤维纺丝喷嘴，所述的纺丝设备本体用于向纤维纺丝喷嘴输送纺丝液，纺丝设备本体为常规技术，图中未示出。