空气过滤纸及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米材料技术领域，特别是涉及一种空气过滤纸及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 空气中的小颗粒可在人体肺部甚至血液循环系统沉积，造成呼吸系统疾病或者血 栓；此外由于小颗粒比表面积较大，其能够吸附大量有毒物质如有机气体、病毒、细菌等，进 一步对人体健康构成威胁。随着社会的发展，健康知识普及，人们越来越重视空气中细小颗 粒污染的危害问题，近年来空气过滤产品已逐渐成为生活的必需品，同时市场对高效去除 亚微米级颗粒污染物的过滤材料要求也大大提高。
[0003] 过滤材料纤维直径越小，除去空气中微粒的粒径就越小，过滤效率也就越高。与传 统纤维相比，纳米级材料展现出了更好的过滤性能。碳纳米材料是目前人工合成的最小直 径的纤维、巨大的比表面积、优异的吸附性能、超强的力学性能，良好的抗菌性能，这些特性 使得其在空气过滤领域具有良好的应用前景。此外，目前碳纳米材料已实现工业生产，原料 价廉易得，且长度越来越长，这为碳纳米材料在空气过滤领域的应用提供直接条件。
[0004] 目前，将碳纳米管用作空气过滤膜的方法主要有两种，一种是溶液 过滤沉积法，另一种是气相生长法。溶液过滤沉积法（例如，公开文献Adv. Mater. 2004, 16, No. 22, November 18)主要利用普通过滤材料截留作用将碳纳米管覆盖 在其表面，得到的碳纳米膜缺陷在于碳纳米管之间排列过于紧密，空气阻力非常大。气相 生长法（例如专利 CN 102600667 A，CN 103446804 A 和公开文献 Science ofthe Total Environment 409(2011)4132 - 4138)是在过滤材料表面直接生长碳纳米管，该方法条件苛 亥IJ，制备的膜面积非常小，不利于工业化推广。
[0005] 因此，对于碳纳米材料在空气过滤的实际应用上，开发一种工艺简单、易于工业化 的空气过滤材料及其生产方法，真正实现碳纳米过滤材料高效去除空气中的亚微米级颗粒 污染物具有重要的意义。
【发明内容】
[0006] 基于此，本发明的目的是提供一种空气过滤纸的制备方法。
[0007] 具体的技术方案如下：
[0008] 一种空气过滤纸的制备方法，包括如下步骤：
[0009] (1)制备底层纸
[0010] 将底层纸纤维与水混合后在疏解器中充分疏解，再用水稀释至质量浓度为 0. 01-2 %，得底层纤维悬浮液，然后将悬浮液送至成型器成型，抽吸后得成型湿纸，再施胶 干燥得所述底层纸；
[0011] (2)制备碳纳米材料分散混合液
[0012] 将表层纸纤维与水混合后在疏解器中充分疏解，再用水稀释至质量浓度为 0. 1-2%，得表层纤维悬浮液；
[0013] 将碳纳米材料加入质量浓度为0. 05_5wt %表面活性剂溶液中，超声分散，得碳纳 米材料分散液，所述碳纳米材料为碳纳米管和/或碳纳米纤维；
[0014] 将碳纳米材料分散液与表层纤维悬浮液混合搅拌均匀即得所述碳纳米材料分散 混合液，其中碳纳米材料的质量浓度为0. 05-0. 5% ;
[0015] (3)将所述底层纸设置于成型器上，将所述碳纳米材料分散混合液输送至成型器 上，所述碳纳米材料分散混合液在所述底层纸上过滤成型，然后施胶烘干即得所述空气过 滤纸。
[0016] 在其中一个实施例中，所述碳纳米材料的尺寸为：直径为l_300nm，长度为 0.5-100 μ m〇
[0017] 在其中一个实施例中，所述底层纸纤维选自涤纶纤维、玻璃纤维、碳纤维、纤维素 纤维、ES纤维、聚丙烯纤维、天丝纤维、芳纶纤维、噁二唑纤维、聚乙烯醇纤维中的一种或几 种。
[0018] 在其中一个实施例中，所述表层纸纤维选自碳纤维、涤纶纤维、玻璃纤维、纤维素 纤维、ES纤维、聚丙烯纤维、天丝纤维、芳纶纤维、噁二唑纤维、聚乙烯醇纤维中的一种或几 种。
[0019] 在其中一个实施例中，所述碳纤维的尺寸为：直径为6-8 μ m，长度为3-10mm。
[0020] 在其中一个实施例中，所述施胶步骤中使用的胶水选自聚氨酯胶粘剂、聚丙烯酰 胺胶粘剂、酚醛树脂胶粘剂、聚乙烯醇胶粘剂或丙烯酸酯胶粘剂；施胶量为所述空气过滤纸 总质量的1-45%。
[0021] 在其中一个实施例中，步骤（2)中所述表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、十二烷 基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、辛苯昔醇中的一种或几种。
[0022] 本发明的另一目的是提供一种空气过滤纸。
[0023] 具体的技术方案如下：
[0024] 上述制备方法制备得到的空气过滤纸。
[0025] 在其中一个实施例中，包括底层和表层，所述底层的与表层接触的上表面向下延 伸10-1500 μ m厚度区域内均匀分布有碳纳米材料。
[0026] 在其中一个实施例中，所述底层的与表层接触的上表面向下延伸10-450 μπι厚度 区域内均匀分布有碳纳米材料。
[0027] 本发明的原理如下：
[0028] 将碳纳米材料分散混合液（包括碳纳米材料与表层纤维材料），在底层纸上过滤， 碳纳米材料由于尺度小（直径l_300nm，长度通常小于100 μ m)，在过滤过程中，在液体穿过 底层纸的作用下，碳纳米材料会随着流体均匀渗透到一部分底层纸区域，同时，碳纳米材料 分散混合液中的表层纤维由于尺度较大（直径都在1 μ m以上），而不会渗透到底层纸中，从 而形成了表层；在碳纳米材料渗透到底层纸的区域形成了一个碳纳米材料和底层纸纤维均 匀分布的混合区，由于是碳纳米材料与底层纸纤维的均匀分布（不是只有一层严实的碳纳 米材料），因此能实现低的过滤风阻。
[0029] 本发明含碳纳米材料空气过滤纸中碳纳米材料主要分布在底层与表层之间的过 滤层上，其分散均匀，与基底纤维附着作用力强。
[0030] 本发明的有益效果：
[0031] 1、本发明含碳纳米材料的空气过滤纸过滤效率高、过滤阻力低、不仅能过滤颗粒 污染物，还能去除空气中的化学污染物、病毒。
[0032] 2、本发明含碳纳米材料的空气过滤纸具有较好的导电、抗菌能力，耐高温，力学性 能好，应用领域广泛。
[0033] 本发明含碳纳米材料的空气过滤纸具有较好的导电功能：
[0034] (1)防静电，在有些用途上，空气滤网，由于长期和空气、灰尘摩擦产生大量静电， 有产生电火花的风险。
[0035] (2)电磁屏蔽，在一些特殊应用场合，需要完全电磁屏蔽的，然后又是需要安装空 气滤网，普通的滤网，不导电，如果不加处理，那里可能就是电磁波泄露的地方。
[0036] (3)功能拓展，具备导电性的空气具备一系列拓展功能：a、可以进行电催化开发， 将一些催化剂负载在滤网上，就可以利用导电的滤网通电，进行电催化降解一些有害气体； b、滤网具有导电功能，对其进行通电，就可以实现加热，以达到除湿、抗病毒、吹热风取暖 (雾霾大多在冬季）等功能；c、实现监测功能，通过监测其电阻的变化来监测滤网的寿命， 以便掌握更换等信息。
[0037] 3、本发明采用简单过滤法将碳纳米材料直接负载到过滤介质内部纤维上，制备工 艺简单、成本低、无任何污染，实现了碳纳米材料在空气过滤领域大规模生产应用。
【附图说明】
[0038] 图1为实施例2制备得到的空气过滤纸的结构示意图（1为表层，3为底层，2为底 层上均匀分布的碳纳米材料）；
[0039] 图2为实施例2制备得到的空气过滤纸截面的电镜照片；
[0040]图3为本发明空气过滤纸与市售空气滤纸抗菌性能的比较图片。
【具体实施方式】
[0041] 以下通过实施例对本申请做进一步阐述。
[0042] 实施例1
[0043] 本实施例一种空气过滤纸的制备方法，包括如下步骤：
[0044] (1)制备底层纸
[0045] 取涤纶纤维、玻璃纤维、纤维素纤维按3:4:3的比例混合后，加水轻度打浆得到纸 浆悬浮液；然后加水稀释至质量浓度为0. 1 %，的底层纤维悬浮液，再将底层纤维悬浮液送 至成型器上成型，抽吸得成型湿纸；然后施以聚丙烯酰胺粘合剂（施胶量为0. 1 % )，抽吸施 胶湿纸后采用红外干燥即得所述底层纸；
[0046] (2)制备碳纳米材料分散混合液
[0047] 取涤纶纤维、玻璃纤维按4:1的比例混合后，加水打浆得到纸浆悬浮液，稀释悬浮 液至质量浓度为〇. 1 %，得表层纤维悬浮液；取平均直径为Inm的单壁碳纳米管加入质量浓 度为5wt%辛苯昔醇溶液中，搅拌分散IOmin后，开启超声波分散机，利用搅拌和超声协同 分散制得均匀的碳纳米材料分散液；再将所得碳纳米材料分散液直接倒入表层纤维悬浮液 中，加水稀释使碳纳米材料的质量浓度为〇. 05%，然后搅拌混匀即得碳纳米材料分散混合 液；
[0048] (3)将底层纸固定在成型器上，然后将碳纳米材料分散混合液送至成型器上在底 层纸上直接成型，抽吸得成型的复合过滤湿纸；然后施以聚氨酯粘合剂（施胶量为5%)，抽 吸施胶后的复合过滤湿纸；最后采用红外干燥即得所述空气过滤纸。
[0049] 制备得到的空气过滤纸底层中碳纳米材料分布区域（从与表层接触的上表面向 下延伸的区域）的厚度为380 μ m。
[0050] 过滤性能如下：
[0051] 在彡0.3 μπι颗粒，5. 33cm/s的风速条件下，过滤效率为99. 998%，空气阻力为 466Pa〇
[0052] 实施例2
[0053] 本实施例一种空气过滤纸的制备方法，包括如下步骤：
[0054] (1)制备底层纸
[0055] 取涤纶纤维和玻璃纤维按1:1的比例混合后，加水打浆得到纸浆悬浮液；然后加 水稀释至质量浓度为〇. 01 %，得底层纤维悬浮液，再将稀释后的悬浮液送至成型器上成型， 抽吸得成型湿纸；然后施以聚乙烯纯粘合剂（施胶量为0. 5% )，抽吸施胶湿纸后采用红外 干燥即得底层纸；
[0056] (2)制备碳纳米材料分散混合液
[0057] 取涤纶纤维、玻璃纤维按2:1的比例混合后，加水打浆得到纸浆悬浮液，稀释悬浮 液至质量浓度为〇. 2%，得表层纤维悬浮液；取平均直径为200nm的碳纳米纤维加入至质量 浓度为lwt%十二烷基硫酸钠溶液中中，搅拌分散IOmin后，开启超声波分散机，利用搅拌 和超声协同分散制得均匀的碳纳米材料分散液；再将所得碳纳米材料分散液直接倒入表层 纤维悬浮液中，加水稀释使碳纳米材料的质量浓度为0. 1 %，然后搅拌混匀即得碳纳米材料 分散混合液。
[0058] (3)将底层纸固定在成型器上，然后将碳纳米材料分散混合液送至成型器上在底 层纸上直接成型，抽吸得成型的复合过滤湿纸；然后施以酚醛树脂粘合剂（施胶量为1 % )， 抽吸施胶后的复合过滤湿纸；最后采用红外干燥即得所述空气过滤纸。
[0059] 此空气过滤纸，结构如图1所示，两边分别是涤纶玻纤纤维，中间是碳纳米纤维和 涤纶玻纤的混合部分，从图2也可看出，空气滤纸的上下表面纤维较粗，中间部分出现了一 些更细的碳纳米纤维分布在粗纤维中。
[0060] 制备得到的空气过滤纸底层中碳纳米材料分布区域（从与表层接触的上表面向 下延伸的区域）的厚度为420 μ m。
[0061] 过滤性能如下：
[0062] 在彡0.3 μπι颗粒，5. 33cm/s的风速条件下，过滤效率为99. 982%，空气阻力为 320Pa〇
[0063] 实施例3
[0064] 本实施例一种空气过滤纸的制备方法，包括如下步骤：
[0065] (1)制备底层纸
[0066] 取玻璃纤维、天丝纤维、聚乙烯醇按8:1:1的比例混合后，加水打浆得到纸浆悬浮 液；然后加水稀释至质量浓度为〇. 3%，得底层纤维悬浮液，再将稀释后的悬浮液送