[发明专利]一种炭颗粒/纤维复合过滤材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种炭颗粒/纤维复合过滤材料及其制备方法与应用，属于材料制备技术领域。包括纤维和纳米炭颗粒，纳米炭颗粒与纤维的质量比为1:100～1:500；其中纤维的直径为10～100μm；在纤维表面原位缩聚形成有由纳米炭颗粒构成的炭薄层，纳米炭颗粒平均粒径为100～700nm，炭薄层的厚度为100～700nm，其在纤维表面的包覆率为95％以上，且在多根纤维的间隙/孔道中未形成炭薄层交联。纳米炭颗粒均匀的覆盖在纤维表面，均匀分布的纳米炭颗粒提高了纤维的介电常数；炭颗粒比表面积大，对亚微米级细颗粒物的捕获能力强，适用于极化电场内的高效过滤，使得复合材料同时具备高效、低阻、高介电性能特性。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种炭颗粒/纤维复合过滤材料及其制备方法与应用，可以用于空气净化等领域。

背景技术

PM2.5易富集重金属、有机致癌物、细菌病毒等，被人体随空气吸入后会引起肺炎、肺气肿甚至肺癌等疾病。室外PM2.5可通过自然渗透或机械通风进入建筑空间，降低室内空气质量，而城市居民80％的时间在室内度过，且老人、小孩和孕妇等特殊人群在室内度过的时间更长，严重危害身体健康。自然(Nature)期刊发表论文显示，中国每年有130万人死于PM2.5污染，因此颗粒物已成为中国导致人死亡的第四大影响因素。

当前，室内空气PM2.5净化的主要方式是过滤，纤维材料是常见的过滤介质，但高效纤维过滤材料会造成过滤阻力增大，能耗过高。利用静电效应强化颗粒～纤维间的吸附力是实现低阻高效去除PM2.5的有效手段，现已开发出驻极体纤维过滤技术、颗粒预荷电过滤技术、纤维持续荷电过滤技术以及双电场颗粒～纤维双荷电过滤技术，其中，双电场双荷电是通过强化颗粒～纤维间的库仑力，增强纤维对亚微米及颗粒物的吸附能力，是当前最为有效的静电增强颗粒过滤技术。双电场双荷电过滤技术的核心在于纤维的介电性能，介电性能高的过滤材料在电场内被极化，纤维表面产生感应电荷，形成极化电场，上游颗粒荷电形式为电晕放电，荷电颗粒进入电场内受库仑力作用，被纤维捕集，从而提高PM2.5的过滤效率。感应电荷主要集中于纤维表面，因此可以在常规纤维表面构建介电涂层，制备满足需求的复合过滤材料。

此外，还在纤维喷涂或者富集石墨烯等，从而达到吸附等目的，如申请公开专利CN107974841A中，提及一种聚氨酯纤维空调滤网的制备方法，将石墨烯加入到庚烷中，得到石墨烯悬浮液；在搅拌条件下依次加入0.5-1L有机硅树脂、0.05-0.1L聚氨酯预聚体和5-10g固化剂，制成混合液；将聚氨酯纤维织物在十三氟辛基三乙氧基硅烷中浸提后自然晾干；将混合液均匀喷涂在聚氨酯纤维织物上，自然晾干得到聚氨酯纤维空调滤网。但是石墨烯价格较高，不利于大面积使用推广，同时石墨烯会堵塞过滤间隙/孔道，增大过滤阻力。

纳米生物质胶质炭应用于改性纤维领域一般采用熔融纺丝的方式：如申请公开专利CN114921868A中，提及一种纳米生物炭改性熔体直纺超细旦聚酯纤维的制备方法，在聚酯酯化反应结束后加入经改性修饰的纳米生物质炭材料，然后进行缩聚反应，并将缩聚反应后的聚酯熔体进行纺丝制得纳米生物炭改性熔体直纺超细旦聚酯纤维。

尽管这种制备方法中纳米生物质胶质炭的混合程度高，但由于生物炭粉体的分散原因，生物质炭无法实现在纤维表面均匀负载，纤维的介电性能不高。

发明内容

1.要解决的问题

针对上述的技术问题，解决现有生物炭在纤维表面分散不均匀的问题，本发明的目的是提供一种炭颗粒/纤维复合过滤材料及其制备方法，在保证过滤阻力不增加的前提下，使得生物炭在纤维表面分散均匀，得到高介电性能的过滤材料。

本发明的另一目的是提供具有上述炭颗粒/纤维复合过滤材料的过滤元件，以及具有上述的过滤装置，用于空气净化领域。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：