[发明专利]一种纳米纤维过滤材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米纤维过滤材料，具体为采用溶液喷射纺丝技术制备的纳米纤维层在空气过滤材料上的应用。

背景技术

随着科学技术和现代化工业的高速发展，大量的废气、烟尘，如工业废气、燃烧、尾气等，严重污染了人类生存环境，特别是近年来大气中广泛存在的直径小于2.5微米的颗粒污染物(PM2.5)的危害已经引起世界范围的关注，其吸入体内后会直接进入支气管，引发包括哮喘、支气管炎、尘肺和心血管病等疾病。同时，电子、精密机械、冶金、宇航、核能、化工等工业以及医疗、制药、食品等行业的发展，对过滤材料的要求也越来越高，因此空气过滤材料在环境治理、工业生产以及日常生活中担任着日益重要的角色。

依据过滤理论，纤维直径尺寸的下降会提高过滤效率，当纤维的直径降到微纳米级(小于1000nm)时，其纤维网内体现出高比表面积和微小孔径的结构，这为高过滤效率和高性能提供了优势，因此微纳米纤维的出现为空气过滤及净化提供了新的思路和方法，使高精度过滤得到实现。

目前，市场上得到广泛使用的是熔喷纤维网过滤材料，其纤维直径在2-5um左右，属于微米级纤维范畴，纤网孔径为10-30微米，得到的纤维在高速气流的作用下具有三维卷曲形态，纤维网的孔隙率一般在85％以上，这为降低熔喷纤维网的过滤阻力做出了贡献。普通熔喷纤维网的过滤效率为40-70％，为中高效过滤材料，在加入静电驻极后，以及增加纤网厚度后，过滤效率能够达到90％以上，为高效过滤材料。与普通的非驻极体非织造布相比，无论是对带电和不带电的气溶胶粒子，驻极体非织造布在初期都显示出特别高的捕获效率，但随着材料被捕获粒子所覆盖，过滤特性会发生改变，机械阻挡作用增加，成为主要的捕获机理(Particul Sci Technol[J]，1987，5(2)：161-171)。因此，熔喷纤网的静电驻极具有时效性和寿命性。

另外，由静电纺丝技术制备的纳米纤维也受到了关注，其纤维直径在1um以下，纤网孔径在0.2-2um之间，在静电纺工艺中，高压电场作为主要驱动力使得聚合物溶液或者熔体细流带电并得到牵伸的方法来制备纳米纤维。其具有高比表面积，直径小，质量轻，孔隙率高以及很强的静电吸附力等优异的性能，其过滤效率高于99％，为超高效过滤材料。Ryu等人研究了静电纺尼龙6的传递通透性能，通过对静电纺尼龙6纳米纤维膜与商品化(HEPA)高效过滤材料进行对比研究，发现其对粒径在0.3μm以下颗粒的过滤性能优于HEPA(Eur.Polym.J.[J]2003.39(9)：1883-1889)。由于静电纺纳米纤维厚度薄，纤维膜强力小，一般采用基布作为支撑层。Narendiran Vitchuli等通过在50／50尼龙／棉织物上沉积一层静电纺纳米纤维，显著提高了其抵抗和过滤亚微级气溶胶化学物质和生物物质的性能(J.Appl.Polym.Sci.[J]2010.116：2181)。Qin等用静电纺丝法在基布材料上纺制了具有不同面密度的纳米纤维层，发现基布材料上覆盖了面密度为2.4g/m²的纳米纤维层后，过滤效率接近100％(Fiber.Polym.[J]2010.11：632)。尽管静电纺纳米纤维拥有这些高效过滤性能的优点，但同时也面临了一些问题和缺陷。首先，大多数工作仍需在实验室规模下的单针头纺丝设备上进行，其产量较低，进液速率一般为0.1-5ml／小时。其次，静电纺纳米纤维虽然具有高效过滤的显著特性，但同时研究表明静电纺纳米纤维膜结构较密实，在显著提高过滤效率时，伴随着压力降也会迅速增大，空气透过性减小，从而降低了产品的使用寿命，这在很大程度上限制了其作为高效过滤材料的广泛应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种纳米纤维过滤材料，包括至少一层直径小于1000nm的连续聚合物纤维组成的多孔隙纳米纤维层，该纳米纤维是采用溶液喷射纺丝技术制备得到的，纤维具有三维卷曲形态的，纤维层孔隙率在95％以上的，纤维层中孔径在1um-10um的孔的比例占95％以上，包含有一层或多层支撑材料的过滤材料，所制得的纳米纤维过滤材料具有过滤效率高，过滤阻力低，重量轻等优异性能，空气透过性能好，综合评价过滤材料品质因数Q_F值高等特点。该制备方法具有工艺简单，产品质量提高，适用于工业化生产等特点。