耐反吹纳米纤维复合滤材及其制备方法与流程

本发明涉及过滤材料领域，具体涉及一种耐反吹纳米纤维复合滤材及其制备方法。
背景技术：
：当今空气污染问题备受关注，世界倡导环保高效环保的利用能源。燃气轮机进气系统和工业除尘系统对过滤基材技术指标从过滤效率、阻力压降、容尘量、使用寿命几项不断提出更高的标准要求。高压静电纺所制备的纳米级纤维网空气滤材有高效、低阻的特征。纳米纤维复合空气滤材和深层空气过滤滤材比较由于纳米纤维复合空气滤材的过滤机理是以表面机械拦截为主而捕获颗粒绝大多数颗粒堆积在滤材表面，可以通过设置动态脉冲反吹净化而循环使用，如果能达到耐反吹的技术指标实际使用中就具有更高的容尘量更长使用寿命。当前高压静电纺纳米纤维复合滤料是燃气轮机进气系统工业除尘空气系统最好滤料之一。国际上技术突破实现工业化量产的有donanldson，finetexmatstm，antimicrobewebtm，nanofiltertm，fibra-webtm品牌商。经过调研在除去donanldson外，全寿命脉冲反吹气流清洗过程中都出现不同程度纳米纤维网从基材上脱落的缺陷，造成循环反吹后过滤效率和容尘量不断下降，过滤器运行时间严重缩短增加了使用成本。国内滤材技术相对落后，从军用(052系列舰、055系列舰)到民用电厂燃气轮机进气系统高端滤芯滤材(f9级别标准en779-2012)市场被国外(donanldson)垄断，据调研国内企事业和技术院校对高压静电纺纳米纤维技术多数停留在实验室阶段，从设备到工艺量产纳米纤维复合滤材还有很多技术性问题需要突破。如：cn101940856a和cn102908829a专利由于在制备中没有考虑到全寿命脉冲反吹清洗的技术指标，易造成纳米纤维网面的破环，产品无法在动态脉冲反吹的情况下为燃气轮机提供稳定优质的空气。cn104028047b专利中利用溶剂蒸汽使纤维间产生粘连的技术方案存在安全问题，其实现耐磨、抗剥离的方法具有很大的安全隐患。众所周知高压静电纺丝量产化过程中工作电压常高达数万伏，控制高压场强中溶剂蒸汽浓度是安全量产的先决条件。上述现有的技术专利同时都出现工业量产难度大，生产工序繁杂，生产成本高的特点。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种耐反吹纳米纤维复合滤材的制备方法，该制备方法一次性成型，工艺简单，生产成本低，得到的复合滤材耐反吹性能优秀。本发明目的在于提供一种耐反吹纳米纤维复合滤材的制备方法，包括：提供一纤维类基材，所述基材在制备过程中加入导电粉体以成为静电耗散材料；以及通过静电纺丝聚合物溶液的方法在所述纤维基材的至少一面上沉积纳米纤维层，即得到所述复合滤材。进一步地，所述复合滤材的最低过滤效率为60％。进一步地，所述基材为通过湿法抄纸技术抄造制备出的滤纸基材或通过熔喷法制备的无纺布基材。进一步地，所述滤纸基材的重量为20～140gsm，所述无纺布基材的重量为20～250gsm。进一步地，所述滤纸基材的原料包括按质量分数计的如下组分：10～19.5％的增强纤维、5～7％的导电粉体和余量的木浆纤维。进一步地，所述增强纤维选自pet纤维和/或pp纤维，其直径优选为50～70μm，长度优选为5～10cm，增强纤维能够增加纤维类基材的挺度、耐破裂强度和耐候性。进一步地，所述无纺布基材的原料包括按质量分数计的如下组分：5～7％的导电粉体以及余量的聚合物，所述聚合物选自聚酯纤维(pet)、聚丙烯、聚偏氟乙烯、pa6、pa66中的至少一种。进一步地，所述导电粉体选自金属系导电粉、金属氧化物系导电粉以及碳系导电粉中的至少一种，导电粉体的粒径为50～6000nm，优选为50～300nm。其中，所述金属导电粉包括银粉、铝粉和铜粉；所述金属氧化物导电粉包括掺锑二氧化锡、掺铝氧化锌和掺铟氧化锡；所述碳系导电粉包括碳纤维粉、导电炭黑、碳纳米管和石墨烯。优选的所述导电粉体为炭纤维粉，其具有良好的导电性、延展性和分散性，且成本低。进一步地，所述聚合物溶液中的聚合物选自下述材料中的至少一种：聚偏氟乙烯、聚氨酯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳酰胺、聚苯并咪唑、聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯、聚苯胺、聚环氧乙烷、聚萘二酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯基丁烯，以及它们的共聚物或衍生物。进一步地，所述聚合物溶液由质量比为9:1～5:5的聚偏氟乙烯溶液与聚氨酯溶液混合而成；所述聚偏氟乙烯溶液由质量比为1:9～20的聚偏氟乙烯和混合溶剂配置而成的，所述聚氨酯溶液由质量比1:9～15的聚氨酯和混合溶剂配置而成的；所述混合溶剂包括质量比为9:1～5:5的溶剂a和溶剂b，所述溶剂a为n，n-二甲基甲酰胺或n，n-二甲基乙酰胺，所述溶剂b为丙酮或丁酮。由该聚合物溶液制备的静电纺丝纳米纤维综合了两种材料的优点，体现出强度高、韧性好、耐磨、耐寒、耐油、耐水、耐老化、耐气候等特性，同时具有高防水性抗菌、防霉、抗紫外线的特性。进一步地，所述聚合物溶液中包含0.01％～0.5wt％的导电助剂，以增加聚合物纺丝液的导电性。优选地，所述导电助剂为四丁基高氯酸铵。本发明另一方面还提供了由上述方法制备得到的耐反吹纳米纤维复合滤材。本发明的原理为：本发明中，通过在基材纤维中加入了导电粉体，使基材纤维的表面电阻处于104～1011ω之间，成为静电耗散材料，能够使得纤维表面的静电荷及时地传导耗散出去。以该基材接收静电纺丝纳米纤维时，落在基材纤维上的纳米纤维上的电荷由于没有集聚条件而很快耗散、消失，而落在基材纤维孔隙中的纳米纤维，其表面的电荷则不断富集，因此基材纤维孔隙间的纳米纤维被驻极，最终与基材纤维上的纳米纤维产生电势差。在静电力的作用下，高压静电纺丝纳米纤维的落点更加趋向于基材纤维上，最终在基材上形成无规则、富集纳米纤维的果岭(如附图3，4所示)。本发明的有益效果在于：1.本发明中通过在基材的制备过程中加入导电功能粉体，使制备的基材成为静电耗散材料，通过对基材纤维静电电阻率大小的调整有效控制静电纺纳米纤维的分布趋向，在没有明显增加阻力压降的情况下增大了纳米纤维和基材纤维的接触面积，从而增强了纳米纤维和基材的粘合性，提高了耐反吹性能。2.本发明生产的纳米纤维复合滤材一次性成型，工艺简单，生产成本低，产品性能优秀。在由木浆纤维与化纤合成制备的f6-f8级别(en779-2012标准)滤纸上，通过静电喷涂纳米纤维使过滤效率稳定达到f9(en779-2012标准)及以上级别。耐反吹性能表现完美，经测试过滤效果容尘量耐脉冲反吹及综合性能达到国际高端空气滤材的标准。附图说明图1为实施例及对比例中所使用的高压静电纺丝设备单组的示意图；图2为实施例3制备的复合滤材的电镜截面图，其中201为纳米纤维网层，202为基材层；图3为实施例3制备的复合滤材中纳米纤维果岭电镜图；图4为实施例3制备的复合滤材中纳米纤维分布电镜图，其中401为基材纤维上分布的纳米纤维富集区(纳米纤维果岭)，402为基材空隙中分布纳米纤维稀疏区；图5为对比例3制备的复合滤材中的纳米纤维的phenomfibermetric图；图6为实施例3制备的复合滤材中的纳米纤维的phenomfibermetric图；图7为实施例3(a)与对比例1(b)的复合纳米纤维滤材反吹(@6kg@1000次)后的表面形貌图；图8为国家电网测试报告。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。1、原料聚氨酯，路博润lubrizolestanetpux595a-11或拜耳tup9395au；聚偏氟乙烯，法国阿科玛arkemakynarpvdf761a；奥斯龙sy5043adcw基材：过滤效率f7，质量118gsm，厚度0.29，透气量193l@200pal/m2/s，平均孔径42.1μm，过滤效率50±5％@0.3μmdehs@32l；rc-t380碳纤维粉，产自江苏省连云港瑞创新材料科技有限公司，密度1.77g/cm3，伸长度1.52％，碳含量95.8％，灰份0.27％，含水量0.5％，粒径4um，模量235gpa，强度4950mpa，电导率1.2×10-3。2、生产设备本发明实施例使用工业化流水线配制8组喷丝系统(喷丝针头朝上设置)进行高压电纺，其中工业化高压静电纺流水线如图1所示，其至少需要配置如下设备：退卷装置1，收卷装置2，喷丝室框架3，接收屏4，高压直流电源5，喷丝头6，喷丝组7，喷丝组支架8，传送带9，传送辊10。喷丝头和喷丝单元的结构详见cn201811180346.9专利，与该工业化高压静电纺流水线配套的工业化配料系统和供液系统详见cn105019042b专利，在此不再赘述。喷丝单元为模块化组件，可根据产量要求配制以4的倍数组装如：4组、8组、16组或更多。3、检测设备本发明使用到的仪器有：textestfx3300透气性测试仪、phenompro电镜、phenomfibermetric系统、tsi8130a过滤效率测试仪、博裕8100脉冲反吹测试台、fraser730srm表面电阻测试仪。实施例1～4：制备耐反吹纳米纤维复合滤材(1)制备滤纸基材按照表1的比例，将木浆纤维、增强纤维和导电粉体配制成混合浆料通过湿法抄纸技术抄造而制备滤纸基材。得到的滤纸基材的重量为110gsm，透气量为250l@200pal/m2/s，平均孔径为56μm，过滤效率为30±5％@0.3μmdehs@32l。表1滤纸基材的配方木浆纤维(wt％)增强纤维(wt％)导电粉体(wt％)实施例180173实施例280155实施例380137实施例480119(2)在滤纸基材上制备纳米纤维混合溶液参数：溶质材料：聚偏氟乙烯溶液与聚氨酯溶液比例为7：3、溶液固含量：9％wt，导电助剂：0.1％的四丁基高氯酸铵、溶剂：90.9％dmf/mek8:2、粘度：220±5cp、电导率:300±5μs/cm。生产环境：恒温恒湿车间，温度(25±2)℃，相对湿度(25±5)％，焓值(37±5)kj，流水线新风风量18000m3/h，回收风量(排风)18100m3/h，设备内空压(2.5±0.5)pa，溶剂气体浓度<(10±0.5)ppm。生产参数：溶液量700g/h，纺丝高度120mm，喷丝组位移速度45mm/s，位移距离50mm，纺丝电压60kv，车速8.8米/min。制备过程：将实施例1～4制备的滤纸基材通过退卷装置1进入设置有8组喷丝组件的纺丝流水线中，通过工业化配料系统和供液系统进行配料和供液，在高压电场的作用下，位于数千个喷头顶端处的溶液富集了大量电荷形成静电排斥力，克服了溶液表面张力和自身黏弹力形成带电射流快速上行而被牵伸，溶剂极速挥发溶液固化形成纳米级纤维均匀沉积在基材上，最后通过收卷装置2进行打圈，得到复合滤材。实施例1-4制备的复合滤材的参数如表2所示：表2实施例1-4制备的复合滤材的性能参数通过phenomfibermetric系统测得，实施例3的复合滤材中纳米纤维的直径集中在249～331nm，纳米纤维网的孔隙集中在1864nm2(见图6)，平均孔径0μm。对比例1混合溶液参数：溶质材料：聚偏氟乙烯溶液与聚氨酯溶液比例为7：3，溶液固含量：9％wt导电助剂：0.1％的四丁基高氯酸铵、溶剂：90.9％dmf/mek8:2、粘度：220±5cp、电导率:300±5μs/cm；生产环境：恒温恒湿车间，温度(25±2)℃，相对湿度(25±5)％，焓值(37±5)kj，流水线新风风量18000m3/h，回收风量(排风)18100m3/h，设备内空压(2.5±0.5)pa，溶剂气体浓度<(10±0.5)ppm。生产参数：溶液量700g/h，纺丝高度120mm，喷丝组位移速度45mm/s，位移距离50mm，纺丝电压60kv，车速10米/min。以奥斯龙sy5043adcw基材作为滤纸基材，在基材上制备高压静电纺丝纳米纤维，制备的过程同实施例1。通过phenomfibermetric系统测得纤维直径集中在270～396nm，纳米纤维网的孔隙集中在2139nm2(见图5)。通过textestfx3300透气性测试仪测得复合滤材的透气量为157l@200pal/m2/s。通过tsi8130a过滤效率测试仪测得复合滤材的过滤效率为80±5％@0.3μmdehs@32l。脉冲耐反吹测试采用博裕8100脉冲反吹测试台分别测试实施例3与对比例1制备的复合滤材的耐反吹性能，反吹气压为3～6kg，反吹面积为50.24cm2，反吹次数为1000次，所得结果如表3所示。表3对比例1及实施例3样品的耐反吹测试结果根据表3的脉冲耐反吹数据可以发现，在奥斯龙sy5043adcw基材上电纺纳米纤维得到的复合滤材，在脉冲反吹气压为4～5kg的情况下，过滤效率出现了明显下降；当反吹气压增加至6kg时过滤效率下降了30％左右。通过图7的电镜图可以发现，对比例1的复合滤材出现了严重的破损现象。而实施例3制备的复合滤材的耐反吹性能优异，在反吹气压为3～5kg时过滤效率均没有出现下降，当反吹气压增加到6kg时，过滤效率仍然没有出现明显的下降。通过图7的电镜图可以发现，该复合滤材表面没有出现破损情况。参见图8的国家电网测试报告，实施例3的复合滤材，在达到f9(en779-2012标准)过滤效率情况下，却没有出现明显的阻力压降。这是由于实施例1的复合滤材增大了纳米纤维和基材的接触面积，增强了纳米纤维网和基材的粘合性，从而实现了优良的耐反吹性能。以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本
技术领域：
的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。当前第1页12