[发明专利]一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料及其制备方法，属于静电纺纳米纤维空气过滤材料制备技术领域。

背景技术

随着我国工业化的高速发展和汽车保有量的急剧增加，空气污染问题日益严峻，尤其是近年来我国大部分地区频繁出现的雾霾、沙尘暴等恶劣天气，对人们的身体健康和生活质量造成了严重影响，因此，空气过滤材料的需求量越来越大，对其过滤性能的要求也越来越高。静电纺纳米纤维具有纤维直径小、比表面积大、孔径小、孔隙率高等特点，很适用于生产高性能空气过滤材料，在个体防护、汽车发动机过滤和空气净化装置等领域具有广阔的应用前景。目前，静电纺纳米纤维空气过滤材料的制备技术大多都是将单一直径的纳米纤维直接沉积在传统过滤介质基材上，形成纳米纤维复合过滤材料，并通过控制工艺条件减小纳米纤维直径和增加纳米纤维膜厚度来提高其过滤效率，然而此种方式会导致过滤材料的阻力压降增大，净空气产出率降低，增加了过滤能耗和成本。

降低静电纺纳米纤维空气过滤材料阻力压降的方法主要是在纳米纤维膜中引入纳米颗粒，从而改变纳米纤维的结合形式。现有文献中涉及到的加入颗粒的不同方式有（1）在纺丝液中加入纳米颗粒，得到复合纺丝液后再进行静电纺丝，如一种球线组合型复合纤维空气过滤材料及其制备方法（CN103706182A），上述方案的不足之处在于纺丝液中的颗粒易产生团聚现象，影响纺丝过程的顺利进行和纳米纤维的均匀性，进而影响纳米纤维膜的实际过滤性能；（2）制备纳米纤维和颗粒的混合悬浮液再将其涂覆在基材上，如一种高吸附纳米纤维复合过滤材料及其制备方法（CN104014196A）、一种有机无机复合纳米纤维膜过滤材料及其制备方法（CN104689724A），上述方案的不足之处在于纤维堆积密度和孔结构难以有效控制，从而难以显著降低材料的阻力压降，且工艺流程较为复杂；（3）纳米纤维层与串珠纤维层交替纺制，如一种口罩用高效低阻纳米纤维空气过滤材料及其制备方法（CN104645715A），上述方案的不足之处在于没有对纳米纤维层与串珠纤维层的排布结构进行优化设计，仅仅是两层之间的重复堆砌，纳米纤维层与串珠纤维层需依次分别纺制，耗用时间长，生产效率降低，且该方法需对常规静电纺丝机进行改装，适用范围有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有空气过滤材料制备技术的不足，提供一种可提高过滤效率和容尘量，降低过滤阻力，延长使用寿命的具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料，其包括从下而上设置的非织造布基材、具有梯度结构的多层微珠/纳米纤维层和非织造布覆盖层；

所述微珠/纳米纤维层由静电纺聚酰胺6微珠和光滑连续的聚酰胺6纳米纤维混合形成，所述微珠/纳米纤维层具有三维立体互通孔隙结构，所述微珠在纳米纤维中的含量沿过滤材料的厚度方向由下向上逐渐递增。

所述复合空气过滤材料结构为非织造布基材、微珠/纳米纤维过滤层和非织造布覆盖层形成的三明治复合结构。

所述的非织造布基材和非织造布覆盖层均选自聚丙烯纤维、聚酯纤维的熔喷和纺粘非织造布中的一种。

所述复合过滤材料的核心过滤部分为微珠/纳米纤维层，所述复合过滤材料对1μm以下颗粒物的过滤效率达到99%以上，阻力压降小于120Pa。

本发明提供的一种具有梯度结构的微珠/纳米纤维复合空气过滤材料的制备方法，其关键技术在于：所述制备方法按以下步骤进行：

第一步，纺制微珠及纳米纤维的两种纺丝液的配置：将一定量的聚酰胺6加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为6-10%的均匀、稳定的纺丝液，作为聚酰胺6微珠的纺丝溶液；同时将一定量的聚酰胺6加入甲酸中，用磁力搅拌装置连续搅拌6-10小时，得到质量分数为18-28%的均匀、稳定的纺丝液，作为聚酰胺6纳米纤维的纺丝溶液；

第二步，单层微珠/纳米纤维层的制备：将纺制聚酰胺6微珠的纺丝液和纺制聚酰胺6纳米纤维的纺丝液分别注入两个注射器中，将两个注射器固定在双针道静电纺丝机内，用两个鳄鱼夹分别与两个注射器的针头相连，再将高压直流电源的正极与鳄鱼夹相连，高压直流电源的负极与金属接收滚筒连接并接地，接收滚筒上包覆有非织造布基材，启动该双针道静电纺丝机，在接收滚筒的非织造布基材表面同时沉积聚酰胺6微珠和聚酰胺6纳米纤维，得到混合均匀的微珠/纳米纤维层；