[发明专利]一种品质因子可调控的空气过滤膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种品质因子可调控的空气过滤膜及其制备方法，其特征在于，包括非织造基材和在其上沉积的静电纺纤维过滤层，所述静电纺纤维过滤层的特点在于由多种不同结构的纤维层有机堆叠形成，其特征在于纤维结构包含微米级纤维结构、串珠纳米纤维结构、超细纳米纤维结构的一种或多种，其特征在于所述三维网状结构孔径和孔隙结构可调控，形成不同过滤效率和风阻的空气过滤膜，从而制备品质因子可调控的空气过滤膜；本发明制作工艺简便、费用低，制得的过滤材料过滤效率高、风阻低，品质因子可调控，使用场合灵活。

技术领域

本发明属于空气过滤材料制备技术领域，具体涉及一种品质因子可调控的空气过滤膜及其制备方法。

背景技术

目前针对空气中细颗粒物的去除，多是依靠传统纤维过滤膜。传统纤维膜可分为两大类：一类为玻璃纤维膜，另一类为非织造类纤维膜。其中，玻璃纤维直径细，纤维堆积密度高，纤维膜过滤效率高，广泛用于过滤精度要求非常高的洁净室、医院无尘室等使用场合。但又由于玻璃纤维表面光滑，纤维之间抱合力小，纤维膜耐磨性和耐扭折性差等特点，容易在使用过程中发生纤维的断裂及脱落，产生“二次污染”，对人体有一定的致癌风险。另一方面，非织造类纤维膜，由于生产工艺的局限，所制纤维直径通常在微米级甚至毫米级，纤维直径大，纤维膜孔隙大，过滤过程中会形成“深床过滤”现象，有纤维寿命短，使用阻力大等缺陷。在这之后，纤维驻极技术不断发展，使非织造类纤维膜上带有良好的静电效果，可以实现高效低阻的过滤效果。但由于驻极电荷在高湿高温高污染条件下容易发生静电失效，因此非织造类纤维膜也存在一定的使用局限。

已有多项研究表明，过滤材料的捕集效率随着纤维直径的减小而增大。当纤维直径从微米数量级降至纳米数量级时，由于直径的细化，使得滤材的比表面积和总纤维长度不断提高，过滤效率随之增大。另一方面，当纤维直径下降到50-60 nm左右，接近大气分子的平均分子自由程时，纤维表面会产生“滑流现象”。“滑流现象”发生时，纤维表面气体分子随着气流运动，与纤维表面产生相互作用力，气体分子通过纤维表面的空气流速不为零。这使得更多的气流可以携带颗粒污染物从更接近纤维表面的区域通过，增加颗粒物被纤维捕获的概率，提高过滤效率。因此，在过滤材料中使用纤维直径为50-60 nm的纤维膜层是过滤材料发展的一个未来发展方向。本发明中在空气过滤膜中引入纤维直径范围在5-100 nm的超细纳米纤维膜层，可以大大提高空气过滤膜对空气中超细颗粒的过滤效果。

然而，单纯使用纳米纤维材料，容易造成纤维膜堆积过分致密，孔隙率低等问题。这使得过滤膜在使用过程中风阻过大，使用成本增高。因此，我们提出在纳米纤维膜中加入串珠结构。有研究表明，串珠结构的引入，能大大提高纤维的孔隙率及透气性，使得纳米纤维过滤膜在过滤效率增高的同时不会因此增大风阻，以获得较为理想的过滤材料品质因子。公开的制备静电纺纳米纤维过滤材料中亦有提到类似的纤维串珠结构的引入，如“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（CN105999852B）”提出的是在纳米纤维层中加入微珠层，该法微珠与纤维独立存在，具有微珠与纤维结合不牢固，微珠容易在高风速使用下脱离的缺点，而本发明则是利用静电纺丝技术直接在纳米纤维上制备连续间隔分布的串珠结构，一步成型，工艺简便，微珠分布均匀、牢固。“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（CN104645715B）”，上述方法中制备串珠结构必须额外对常规静电纺丝机进行改装，利用蒸汽场补偿和控制技术，而本发明采用的方法可在常规设备上，处于常温常压条件下制备完成，工艺简单。“纳米蛛网/串珠纤维复合空气过滤膜及其制备方法（CN106984201A）”提到了串珠纤维的引入，但该法过滤膜结构与本文不同，并且制备所得的过滤膜过滤效率低，风阻高，本发明制备的空气过滤膜相比之下能够大大提高过滤膜在日常领域应用时的过滤效果。

此外，本发明中还引入一层具有高机械性能的微米级纤维结构层，该层纤维膜除了具有过滤效果，同时还能提高整体复合膜的机械性能，加入该层结构后，所述空气过滤膜可以通过裁剪、打褶或是多层叠加的方式制成成型的空气净化滤网，用于各种过滤场合，而无需进一步与非织造基材或是保护膜材通过热压、热轧、超声打点等方式复合后使用。

发明内容