空氣過濾紙及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及納米材料技術領域，特別是涉及一種空氣過濾紙及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 空氣中的小顆粒可在人體肺部甚至血液循環系統沉積，造成呼吸系統疾病或者血 栓；此外由于小顆粒比表面積較大，其能夠吸附大量有毒物質如有機氣體、病毒、細菌等，進 一步對人體健康構成威脅。隨著社會的發展，健康知識普及，人們越來越重視空氣中細小顆 粒污染的危害問題，近年來空氣過濾產品已逐漸成為生活的必需品，同時市場對高效去除 亞微米級顆粒污染物的過濾材料要求也大大提高。
[0003] 過濾材料纖維直徑越小，除去空氣中微粒的粒徑就越小，過濾效率也就越高。與傳 統纖維相比，納米級材料展現出了更好的過濾性能。碳納米材料是目前人工合成的最小直 徑的纖維、巨大的比表面積、優異的吸附性能、超強的力學性能，良好的抗菌性能，這些特性 使得其在空氣過濾領域具有良好的應用前景。此外，目前碳納米材料已實現工業生產，原料 價廉易得，且長度越來越長，這為碳納米材料在空氣過濾領域的應用提供直接條件。
[0004] 目前，將碳納米管用作空氣過濾膜的方法主要有兩種，一種是溶液 過濾沉積法，另一種是氣相生長法。溶液過濾沉積法（例如，公開文獻Adv. Mater. 2004, 16, No. 22, November 18)主要利用普通過濾材料截留作用將碳納米管覆蓋 在其表面，得到的碳納米膜缺陷在于碳納米管之間排列過于緊密，空氣阻力非常大。氣相 生長法（例如專利 CN 102600667 A，CN 103446804 A 和公開文獻 Science ofthe Total Environment 409(2011)4132 - 4138)是在過濾材料表面直接生長碳納米管，該方法條件苛 亥IJ，制備的膜面積非常小，不利于工業化推廣。
[0005] 因此，對于碳納米材料在空氣過濾的實際應用上，開發一種工藝簡單、易于工業化 的空氣過濾材料及其生產方法，真正實現碳納米過濾材料高效去除空氣中的亞微米級顆粒 污染物具有重要的意義。
【發明內容】
[0006] 基于此，本發明的目的是提供一種空氣過濾紙的制備方法。
[0007] 具體的技術方案如下：
[0008] 一種空氣過濾紙的制備方法，包括如下步驟：
[0009] (1)制備底層紙
[0010] 將底層紙纖維與水混合后在疏解器中充分疏解，再用水稀釋至質量濃度為 0. 01-2 %，得底層纖維懸浮液，然后將懸浮液送至成型器成型，抽吸后得成型濕紙，再施膠 干燥得所述底層紙；
[0011] (2)制備碳納米材料分散混合液
[0012] 將表層紙纖維與水混合后在疏解器中充分疏解，再用水稀釋至質量濃度為 0. 1-2%，得表層纖維懸浮液；
[0013] 將碳納米材料加入質量濃度為0. 05_5wt %表面活性劑溶液中，超聲分散，得碳納 米材料分散液，所述碳納米材料為碳納米管和/或碳納米纖維；
[0014] 將碳納米材料分散液與表層纖維懸浮液混合攪拌均勻即得所述碳納米材料分散 混合液，其中碳納米材料的質量濃度為0. 05-0. 5% ;
[0015] (3)將所述底層紙設置于成型器上，將所述碳納米材料分散混合液輸送至成型器 上，所述碳納米材料分散混合液在所述底層紙上過濾成型，然后施膠烘干即得所述空氣過 濾紙。
[0016] 在其中一個實施例中，所述碳納米材料的尺寸為：直徑為l_300nm，長度為 0.5-100 μ m〇
[0017] 在其中一個實施例中，所述底層紙纖維選自滌綸纖維、玻璃纖維、碳纖維、纖維素 纖維、ES纖維、聚丙烯纖維、天絲纖維、芳綸纖維、噁二唑纖維、聚乙烯醇纖維中的一種或幾 種。
[0018] 在其中一個實施例中，所述表層紙纖維選自碳纖維、滌綸纖維、玻璃纖維、纖維素 纖維、ES纖維、聚丙烯纖維、天絲纖維、芳綸纖維、噁二唑纖維、聚乙烯醇纖維中的一種或幾 種。
[0019] 在其中一個實施例中，所述碳纖維的尺寸為：直徑為6-8 μ m，長度為3-10mm。
[0020] 在其中一個實施例中，所述施膠步驟中使用的膠水選自聚氨酯膠粘劑、聚丙烯酰 胺膠粘劑、酚醛樹脂膠粘劑、聚乙烯醇膠粘劑或丙烯酸酯膠粘劑；施膠量為所述空氣過濾紙 總質量的1-45%。
[0021] 在其中一個實施例中，步驟（2)中所述表面活性劑選自十二烷基硫酸鈉、十二烷 基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、辛苯昔醇中的一種或幾種。
[0022] 本發明的另一目的是提供一種空氣過濾紙。
[0023] 具體的技術方案如下：
[0024] 上述制備方法制備得到的空氣過濾紙。
[0025] 在其中一個實施例中，包括底層和表層，所述底層的與表層接觸的上表面向下延 伸10-1500 μ m厚度區域內均勻分布有碳納米材料。
[0026] 在其中一個實施例中，所述底層的與表層接觸的上表面向下延伸10-450 μπι厚度 區域內均勻分布有碳納米材料。
[0027] 本發明的原理如下：
[0028] 將碳納米材料分散混合液（包括碳納米材料與表層纖維材料），在底層紙上過濾， 碳納米材料由于尺度小（直徑l_300nm，長度通常小于100 μ m)，在過濾過程中，在液體穿過 底層紙的作用下，碳納米材料會隨著流體均勻滲透到一部分底層紙區域，同時，碳納米材料 分散混合液中的表層纖維由于尺度較大（直徑都在1 μ m以上），而不會滲透到底層紙中，從 而形成了表層；在碳納米材料滲透到底層紙的區域形成了一個碳納米材料和底層紙纖維均 勻分布的混合區，由于是碳納米材料與底層紙纖維的均勻分布（不是只有一層嚴實的碳納 米材料），因此能實現低的過濾風阻。
[0029] 本發明含碳納米材料空氣過濾紙中碳納米材料主要分布在底層與表層之間的過 濾層上，其分散均勻，與基底纖維附著作用力強。
[0030] 本發明的有益效果：
[0031] 1、本發明含碳納米材料的空氣過濾紙過濾效率高、過濾阻力低、不僅能過濾顆粒 污染物，還能去除空氣中的化學污染物、病毒。
[0032] 2、本發明含碳納米材料的空氣過濾紙具有較好的導電、抗菌能力，耐高溫，力學性 能好，應用領域廣泛。
[0033] 本發明含碳納米材料的空氣過濾紙具有較好的導電功能：
[0034] (1)防靜電，在有些用途上，空氣濾網，由于長期和空氣、灰塵摩擦產生大量靜電， 有產生電火花的風險。
[0035] (2)電磁屏蔽，在一些特殊應用場合，需要完全電磁屏蔽的，然后又是需要安裝空 氣濾網，普通的濾網，不導電，如果不加處理，那里可能就是電磁波泄露的地方。
[0036] (3)功能拓展，具備導電性的空氣具備一系列拓展功能：a、可以進行電催化開發， 將一些催化劑負載在濾網上，就可以利用導電的濾網通電，進行電催化降解一些有害氣體； b、濾網具有導電功能，對其進行通電，就可以實現加熱，以達到除濕、抗病毒、吹熱風取暖 (霧霾大多在冬季）等功能；c、實現監測功能，通過監測其電阻的變化來監測濾網的壽命， 以便掌握更換等信息。
[0037] 3、本發明采用簡單過濾法將碳納米材料直接負載到過濾介質內部纖維上，制備工 藝簡單、成本低、無任何污染，實現了碳納米材料在空氣過濾領域大規模生產應用。
【附圖說明】
[0038] 圖1為實施例2制備得到的空氣過濾紙的結構示意圖（1為表層，3為底層，2為底 層上均勻分布的碳納米材料）；
[0039] 圖2為實施例2制備得到的空氣過濾紙截面的電鏡照片；
[0040]圖3為本發明空氣過濾紙與市售空氣濾紙抗菌性能的比較圖片。
【具體實施方式】
[0041] 以下通過實施例對本申請做進一步闡述。
[0042] 實施例1
[0043] 本實施例一種空氣過濾紙的制備方法，包括如下步驟：
[0044] (1)制備底層紙
[0045] 取滌綸纖維、玻璃纖維、纖維素纖維按3:4:3的比例混合后，加水輕度打漿得到紙 漿懸浮液；然后加水稀釋至質量濃度為0. 1 %，的底層纖維懸浮液，再將底層纖維懸浮液送 至成型器上成型，抽吸得成型濕紙；然后施以聚丙烯酰胺粘合劑（施膠量為0. 1 % )，抽吸施 膠濕紙后采用紅外干燥即得所述底層紙；
[0046] (2)制備碳納米材料分散混合液
[0047] 取滌綸纖維、玻璃纖維按4:1的比例混合后，加水打漿得到紙漿懸浮液，稀釋懸浮 液至質量濃度為〇. 1 %，得表層纖維懸浮液；取平均直徑為Inm的單壁碳納米管加入質量濃 度為5wt%辛苯昔醇溶液中，攪拌分散IOmin后，開啟超聲波分散機，利用攪拌和超聲協同 分散制得均勻的碳納米材料分散液；再將所得碳納米材料分散液直接倒入表層纖維懸浮液 中，加水稀釋使碳納米材料的質量濃度為〇. 05%，然后攪拌混勻即得碳納米材料分散混合 液；
[0048] (3)將底層紙固定在成型器上，然后將碳納米材料分散混合液送至成型器上在底 層紙上直接成型，抽吸得成型的復合過濾濕紙；然后施以聚氨酯粘合劑（施膠量為5%)，抽 吸施膠后的復合過濾濕紙；最后采用紅外干燥即得所述空氣過濾紙。
[0049] 制備得到的空氣過濾紙底層中碳納米材料分布區域（從與表層接觸的上表面向 下延伸的區域）的厚度為380 μ m。
[0050] 過濾性能如下：
[0051] 在彡0.3 μπι顆粒，5. 33cm/s的風速條件下，過濾效率為99. 998%，空氣阻力為 466Pa〇
[0052] 實施例2
[0053] 本實施例一種空氣過濾紙的制備方法，包括如下步驟：
[0054] (1)制備底層紙
[0055] 取滌綸纖維和玻璃纖維按1:1的比例混合后，加水打漿得到紙漿懸浮液；然后加 水稀釋至質量濃度為〇. 01 %，得底層纖維懸浮液，再將稀釋后的懸浮液送至成型器上成型， 抽吸得成型濕紙；然后施以聚乙烯純粘合劑（施膠量為0. 5% )，抽吸施膠濕紙后采用紅外 干燥即得底層紙；
[0056] (2)制備碳納米材料分散混合液
[0057] 取滌綸纖維、玻璃纖維按2:1的比例混合后，加水打漿得到紙漿懸浮液，稀釋懸浮 液至質量濃度為〇. 2%，得表層纖維懸浮液；取平均直徑為200nm的碳納米纖維加入至質量 濃度為lwt%十二烷基硫酸鈉溶液中中，攪拌分散IOmin后，開啟超聲波分散機，利用攪拌 和超聲協同分散制得均勻的碳納米材料分散液；再將所得碳納米材料分散液直接倒入表層 纖維懸浮液中，加水稀釋使碳納米材料的質量濃度為0. 1 %，然后攪拌混勻即得碳納米材料 分散混合液。
[0058] (3)將底層紙固定在成型器上，然后將碳納米材料分散混合液送至成型器上在底 層紙上直接成型，抽吸得成型的復合過濾濕紙；然后施以酚醛樹脂粘合劑（施膠量為1 % )， 抽吸施膠后的復合過濾濕紙；最后采用紅外干燥即得所述空氣過濾紙。
[0059] 此空氣過濾紙，結構如圖1所示，兩邊分別是滌綸玻纖纖維，中間是碳納米纖維和 滌綸玻纖的混合部分，從圖2也可看出，空氣濾紙的上下表面纖維較粗，中間部分出現了一 些更細的碳納米纖維分布在粗纖維中。
[0060] 制備得到的空氣過濾紙底層中碳納米材料分布區域（從與表層接觸的上表面向 下延伸的區域）的厚度為420 μ m。
[0061] 過濾性能如下：
[0062] 在彡0.3 μπι顆粒，5. 33cm/s的風速條件下，過濾效率為99. 982%，空氣阻力為 320Pa〇
[0063] 實施例3
[0064] 本實施例一種空氣過濾紙的制備方法，包括如下步驟：
[0065] (1)制備底層紙
[0066] 取玻璃纖維、天絲纖維、聚乙烯醇按8:1:1的比例混合后，加水打漿得到紙漿懸浮 液；然后加水稀釋至質量濃度為〇. 3%，得底層纖維懸浮液，再將稀釋后的懸浮液送