含有发泡涂层的高效过滤材料及其制备方法与应用与流程

[0001]
本发明属于过滤材料技术领域，特别涉及一种含有发泡涂层的过滤材料及其制备方法与应用。


背景技术：

[0002]
口罩的主体过滤材料为聚丙烯熔喷布，是一种超细静电纤维布，由于静电作用可以捕捉粉尘，含有各类病毒的飞沫接近聚丙烯熔喷布后，能被吸附在熔喷布表面，无法穿透。熔喷布克重越高，防护过滤效果越好，而熔喷层过多，则呼吸比较困难。
[0003]
添加驻极材料能够提高过滤材料的驻极性能，从而提高静电吸附能力，提高过滤效率。中国专利文献cn105920919a(201610329607.3)公开了一种用于净化pm2.5的超疏水驻极体滤材的制备及活化方法。将无机驻极体纳米粒子加入到溶剂当中分散均匀，再向其中加入聚合物，搅拌溶解均匀得到含无机驻极体纳米粒子的聚合物溶液；将上述溶液通过静电纺丝制备于无纺布上，得到驻极体纳米纤维层；再用低表面能溶液对纤维层表面进行表面修饰，得到产物。所得滤材具有超疏水效果，表面电势大，还具有抑制微生物细菌等在滤材表面的生长等优势。但该方法通过添加驻极体纳米粒子实现材料的可驻极性能，进而提高材料的静电过滤效率，但是，无法综合调控过滤效率与呼吸阻力这一矛盾问题，要增加驻极性能和呼吸效率，就会提高呼吸阻力，无法满足作为口罩等空气过滤材料使用。
[0004]
中国专利文献cn 110732186 a(201911016889.1)公开了一种多孔空气过滤膜及其制备方法和用途。所述多孔空气过滤膜包括多孔基底材料和覆盖在所述多孔基底材料的纤维上的具有热释电功能的聚合物层，多孔基底材料为针刺无纺布。所述多孔空气过滤膜可阻留比本身孔隙小得多的细小颗粒，而且容尘量高、过滤效率高、空气过滤阻力低，并且能够再生以重复多次使用。使用喷涂法将具有热释电功能的聚合物层覆盖在多孔基底材料的纤维上，从而制备得到多孔空气过滤膜。其中，热释电颗粒包括铌酸锂和/或电气石；热释电性聚合物包括聚偏氟乙烯和/或聚酰胺-11。
[0005]
但是上述专利所述的过滤材料，是直接将热释电材料涂覆在无纺布上，为了进一步提高材料的过滤效率和驻极性能，需增加热释电性聚合物的喷涂量，必定会大大增加材料的呼吸阻力。


技术实现要素：

[0006]
本发明为了解决现有技术中存在的过滤材料不可驻极，改性材料的过滤效率低和空气阻力大等问题。提供一种含有发泡涂层的高效过滤材料及其制备方法与应用。本发明通过在多孔基底材料表面涂覆复合发泡涂层，得到了过滤效率高、呼吸阻力小，可驻极的过滤材料。通过调整发泡剂与纳米纤维的用量可综合调控过滤效率与呼吸阻力这一矛盾问题，得到一种过滤效率高且呼吸阻力小的空气过滤材料。
[0007]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008]
一种发泡涂层涂料，其特征在于，包括涂料a和涂料b，涂料a和涂料b按顺序先后涂
布在多孔基底材料上；
[0009]
所述涂料a包括微米驻极体悬浮液100份、胶黏剂3～10份；润湿剂1～5份；分散剂1～5份；纳米纤维素1～5份；抗菌剂1～5份；所述涂料b包括纳米驻极体悬浮液100份、胶黏剂1～10份；润湿剂1～5份；分散剂1～5份；发泡剂1～5份；纳米纤维素1～5份；抗菌剂1～5份。
[0010]
优选的，涂料a中包括3～8份胶黏剂、1份润湿剂、1份分散剂、2～5份纳米纤维素、1份抗菌剂；涂料b中包括5～8份胶黏剂、1份润湿剂、1份分散剂、2～3份发泡剂、2～3份纳米纤维素、1份抗菌剂。
[0011]
优选的，所述微米驻极体悬浮液中固含量为10～30％，其中固相为微米级级驻极体，液相为浓度为10～30％的分散剂水溶液。固含量进一步优选为19～21％。
[0012]
进一步优选的，所述微米级驻极体包括电气石粉、氮化硅、电极粉、巴西棕榈蜡等中的一种或几种。所述微米级驻极体的平均粒径为30～80μm。进一步优选的，所述电气石粉、氮化硅为50～80μm，所述电极粉、巴西棕榈蜡的平均粒径为30～50μm。
[0013]
进一步优选的，所述微米级驻极体为质量比为11～13：7～9：0.8～1.2：3.5～4.5的电气石粉、氮化硅、电极粉、巴西棕榈蜡。该最佳配比是通过其对涂层的驻极电荷、驻极稳定性和呼吸阻力来确定的，对材料的驻极性能具有协同促进作用。
[0014]
优选的，涂料b中纳米驻极体悬浮液的固含量为10～20％，其中固相为纳米级驻极体，液相为质量分数为10～20％的分散剂水溶液。进一步优选的，所述纳米级驻极体为有机驻极体材料。
[0015]
进一步优选的，所述纳米级驻极体包括质量比为4.8～5.2:4.8～5.2:1.8～2.2的聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯，复配使用的目的是进一步优化驻极性能。所述纳米级驻极体的平均粒径为50～90nm。
[0016]
优选的，所述的胶黏剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素和淀粉等常用胶黏剂的一种。
[0017]
优选的，所述的润湿剂、分散剂和抗菌剂为涂料领域常用的功能助剂；进一步优选的，润湿剂为甘油，分散剂为六偏磷酸钠，抗菌剂为壳聚糖。
[0018]
优选的，所述发泡剂为本领域常用市售发泡剂。
[0019]
优选的，所述涂料a和涂料b中的纳米纤维素为物理或者化学方法生产的纳米纤维素。纳米纤维素的长度为100～500nm、直径为10～30nm。纳米纤维素用于调节发泡涂层的孔隙大小。纳米纤维素用于填充较小孔隙，通过改变添加量，改变材料的空气阻力。
[0020]
为了获得上述发泡涂层的涂料，本发明还提供一种上述发泡涂料的制备方法，其特征在于，涂料a的制备方法为：先将所需水总重量的3/4与分散剂混合均匀，加入微米级驻极体，然后加入剩余水，分散均匀得到微米驻极体悬浮液，分散剂浓度为10～30％，固含量为10～30％；根据配比加入胶黏剂、润湿剂、分散剂、纳米纤维素、抗菌剂；得到涂料a。
[0021]
涂料b的制备方法为：将所需水总量份的3/4与所需分散剂混合均匀，加入纳米级驻极体，然后加入剩余水，使分散液分散均匀，得到纳米驻极体悬浮液，分散剂浓度为10～20％，固含量为10～20％；根据配比加入胶黏剂、润湿剂、分散剂、发泡剂、纳米纤维素、抗菌剂；得到涂料b。
[0022]
优选的，所述微米级驻极体和纳米级驻极体在水溶液中的分散方法为超声分散，超声时间为20～40min，优选为25～35min。
[0023]
本发明还提供上述发泡涂料的使用方法，其特征在于，先将涂料a涂布于基底表
面，加热干燥得到第一涂层，加热温度为100～120℃，时间为5～10min，涂布量为5～10g/m2；再将涂料b涂布于第一涂层表面，加热干燥得到第二涂层，温度为80～125℃，时间为5～12min，涂布量为5～12g/m2。
[0024]
优选的，所述基底为多孔基底材料。进一步优选的，所述多孔基底材料包括纸、无纺布、多孔膜；所述无纺布包括水刺无纺布，热合无纺布，浆粕气流成网无纺布，湿法无纺布。所述纸为用植物纤维为原料制备的多孔过滤纸，包括以植物纤维为原料的市售口罩纸或茶叶袋纸。
[0025]
优选的，所述涂布方式包括棒涂、辊涂、刮涂中的一种。
[0026]
优选的，第一涂层的干燥温度为108～112℃；干燥时间为5.5～6.5min；所述的涂布量为7.5～8.5g/m2；第二涂层的干燥温度为118～122℃；所述的干燥时间为9.5～10.5min；所述的涂布量为9.5～10.5g/m2。
[0027]
本发明还提供一种包含发泡涂层的高效过滤材料，其特征在于，所述过滤材料由发泡涂层和多孔基底材料组成，在多孔基底材料表面依次涂布有涂料a构成的第一涂层和涂料b构成的第二涂层；第一涂层和第二涂层的涂布量分别为5～10g/m2和5～12g/m2。
[0028]
本发明通过纳米纤维素和发泡剂共同调节孔隙，发泡剂会使涂层孔隙变大，过滤效率变小，降低空气阻力；而调节纳米纤维素的添加量，可对空气阻力和过滤效率进行进一步调节，提高过滤效率。从而使得本发明的过滤材料在具有较高的驻极后电荷量和过滤效率的前提下，具有较低的呼吸阻力。
[0029]
本发明专利在纸等多孔材料上涂有两层涂层，类似一种“筑路填石”筑路填石的结构第一层微米级涂料用于填堵基材的大孔隙，保留小孔隙；第二层纳米级涂料为发泡涂层，用于填堵较小孔隙，发泡剂与纳米纤维素的添加量用于调整涂层的孔隙结构，进而进一步调节过滤效率与空气阻力的大小。
[0030]
为了得到上述过滤材料，本发明还提供一种过滤材料的制备方法，其特征在于，按照上述发泡涂料的使用方法，将涂料a、b依次涂布于多孔基底材料表面。
[0031]
具体的，所述过滤材料的具体制备方法，包括以下步骤：
[0032]
(1)涂料a的制备方法为：先将所需水总重量的3/4与分散剂混合均匀，加入微米级驻极体，然后加入剩余水，分散均匀得到微米驻极体悬浮液，根据所述配比加入胶黏剂、润湿剂、分散剂、纳米纤维素、抗菌剂，得到涂料a；
[0033]
(2)第一涂层制备方法：将制得的涂料a涂布于多孔基底材料的表面，加热干燥涂层，温度100～120℃，时间5～10min，涂布量为5～10g/m2；
[0034]
(3)涂料b的制备方法为：将所需水总量份的3/4与分散剂混合均匀，加入纳米级驻极体，然后加入剩余水，使分散液分散均匀，得到纳米驻极体悬浮液，根据所述配比加入胶黏剂、润湿剂、分散剂、发泡剂、纳米纤维素、抗菌剂，得到涂料b；
[0035]
(4)第二涂层的制备方法：将涂料b涂布于第一涂层表面，加热干燥得到第二涂层，温度为80～125℃，时间为5～12min，涂布量为5～12g/m2。
[0036]
基于上述高效过滤材料在过滤、除尘中的用途。
[0037]
上述高效过滤材料在口罩、过滤装置中的应用。
[0038]
一种口罩，其特征在于，使用上述高效过滤材料为原料或者过滤材料。
[0039]
一种过滤装置，其特征在于，使用上述高效过滤材料为过滤部分。
[0040]
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
[0041]
本发明利用多孔基底材料为基材，通过涂覆可驻极的涂料及发泡涂层，并对涂层的三维空间结构进行调控，解决了空气阻力与过滤效率这一关键问题。且本发明的发泡涂层与微米级涂层复合使用，可阻留比本身孔隙小得多的尘粒，且能够提高容尘量。
[0042]
本发明开发的高效过滤材料，具有较高的过滤性能(测试介质是计数中位直径为0.075μm的nacl气溶胶，测试气体流量为32l/min的测试条件下，其过滤效率可达87.5％)，且具有较低的呼吸阻力(低至111pa)。
[0043]
本发明的多孔基底材料使用无纺布为基底材料将大大降低熔喷布的使用量。以植物纤维纸为基材，便于降解，避免二次污染；可避免由于一次性口罩的大量使用而产生医疗废物，造成二次污染，树立绿色生产和环保减碳的理念，推动口罩产业可持续发展。
附图说明
[0044]
图1是实施例1的第一涂层和第二涂层的扫描电镜图，(a)一次涂布；(b)二次涂布。
[0045]
图2是实施例1涂层的结构示意图。
具体实施方式
[0046]
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。下列实施例中涉及的物料均可从商业渠道获得。实施例中所有基材均为无纺布。
[0047]
所得性能测试方法：将制得的样品进行吸附效率和空气阻力测试，参考gb19083-2003《医用防护口罩技术要求》中的方法测试样品对颗粒物的过滤效率和气流阻力。测试装置采用美国tsi3160分级效率测试台，测试介质是计数中位直径为0.075μm的nacl气溶胶，测试气体流量为32l/min。
[0048]
电荷量的检测采用电荷测定仪elektrofeldmeter,efm022。
[0049]
纳米纤维素包括nfc(纳米纤维素)和ncc(纳米微晶纤维素)，均由济南圣泉提供，nfc由化学机械法制备，ncc由酸水解法制备。
[0050]
实施例1
[0051]
一种高效过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
[0052]
(1)涂料a的制备方法为：先将所需水总重量的3/4与分散剂六偏磷酸钠混合均匀，边搅拌边加入微米级驻极体(电气石粉、氮化硅、电极粉、巴西棕搁蜡，质量比为12:8:1:4)，然后加入剩余水，继续搅拌，超声分散30min，分散均匀得到微米驻极体悬浮液，微米驻极体悬浮液中固含量为20％，六偏磷酸钠的质量分数为10％。
[0053]
取100重量份微米驻极体悬浮液，加入3份pva，在搅拌的同时，依次慢慢加入1份甘油、1份六偏磷酸钠、2份nfc(纳米纤维素)、1份壳聚糖，每加入一种组分都需要搅拌至混合均匀；得到涂料a；电气石粉、氮化硅的平均粒径为80μm；电极粉、巴西棕搁蜡的平均粒径为30μm。
[0054]
(2)第一涂层制备方法：将制得的涂料a用涂布机棒涂于口罩纸的表面，加热干燥涂层，温度100℃，时间5min，涂布量为5g/m2；
[0055]
(3)涂料b的制备方法为：将所需水总量份的3/4与分散剂六偏磷酸钠混合均匀，加入纳米级驻极体(聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯，质量比为：5:5:2)，然后加入
剩余水，继续搅拌，超声分散30min，使分散液分散均匀，得到纳米驻极体悬浮液。纳米驻极体悬浮液中固含量为20％，六偏磷酸钠的质量分数为10％，纳米驻极体平均粒径为90nm。
[0056]
根据重量比，取100份纳米驻极体悬浮液，根据配比加入5份pva，在搅拌的同时，依次慢慢加入所需量的1份甘油、1份六偏磷酸钠、市售发泡剂2份、nfc2份、1份壳聚糖，每加入一种组分都需要搅拌至混合均匀；得到涂料b；
[0057]
(4)第二涂层的制备方法：将涂料b用涂布机涂布于第一涂层表面，加热干燥得到第二涂层，温度为80℃，时间为5min，涂布量为5g/m2。
[0058]
所得样品所测得过滤效率为85.2％，空气阻力为123pa，驻极后电荷量为1632v。
[0059]
由图1、2可以看出，一次涂布纸页表面只有微米级涂料，仍有较多的孔隙存在。二次涂布后，纳米级涂料填充使纸页表面的孔隙变小。
[0060]
实施例2
[0061]
一种高效过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
[0062]
(1)涂料a的制备方法为：先将所需水总重量的3/4与分散剂六偏磷酸钠混合均匀，边搅拌边加入微米级驻极体(电气石粉、氮化硅、电极粉、巴西棕榈蜡，质量比为12:8:1:4)，然后加入剩余水，继续搅拌，超声分散30min，分散均匀得到微米驻极体悬浮液。微米驻极体悬浮液中固含量为15％，液相中六偏磷酸钠的质量分数为20％。
[0063]
根据重量比取100份微米驻极体悬浮液，加入5份pva，在搅拌的同时，依次慢慢加入1份甘油、1份六偏磷酸钠、nfc3份、1份壳聚糖，每加入一种组分都需要搅拌至混合均匀，得到涂料a；
[0064]
电气石粉、氮化硅的平均粒径为80μm；电极粉、巴西棕榈蜡的平均粒径为30μm。
[0065]
(2)第一涂层制备方法：将制得的级涂a料用涂布机棒涂于无纺布的表面，加热干燥涂层，温度110℃，时间6min，涂布量为8g/m2。
[0066]
(3)涂料b的制备方法为：将所需水总量份的3/4与分散剂六偏磷酸钠混合均匀，加入纳米级驻极体(聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯，质量比为5:5:2)，然后加入剩余水，继续搅拌，超声分散30min，使分散液分散均匀，得到纳米驻极体悬浮液。纳米驻极体悬浮液中固含量为15％，液相中六偏磷酸钠的质量分数为15％，平均粒径为90nm。
[0067]
根据重量比，取100份纳米驻极体悬浮液，根据配比加入pva8份，在搅拌的同时，依次慢慢加入所需量的1份甘油、1份六偏磷酸钠、市售发泡剂3份、nfc3份、1份壳聚糖，每加入一种组分都需要搅拌至混合均匀；得到涂料b。
[0068]
(4)第二涂层的制备方法：将涂料b用涂布机涂布于第一涂层表面，加热干燥得到第二涂层，温度为120℃，时间为10min，涂布量为10g/m2。
[0069]
实验样品所测得过滤效率为87.5％，空气阻力为111pa，驻极后电荷量为1577v。
[0070]
实施例3
[0071]
一种高效过滤材料的制备方法，包括以下步骤：
[0072]
(1)涂料a的制备方法为：先将所需水总重量的3/4与分散剂六偏磷酸钠混合均匀，边搅拌边加入微米级驻极体(电气石粉、氮化硅、电极粉、巴西棕搁蜡，质量比为12:8:1:4)，然后加入剩余水，继续搅拌，超声分散30min，分散均匀得到微米驻极体悬浮液。微米驻极剂体悬浮液中固含量为20％，液相中六偏磷酸钠的质量分数为30％；
[0073]
根据重量比取100份微米驻极体悬浮液，加入胶黏剂pva8份，在搅拌的同时，依次
慢慢加入所需量的甘油1份、六偏磷酸钠1份、nfc5份、壳聚糖1份，每加入一种组分都需要搅拌至混合均匀，得到涂料a；
[0074]
电气石粉、氮化硅的平均粒径为80μm；电极粉、巴西棕榈蜡的平均粒径为30μm。
[0075]
(2)第一涂层制备方法：将制得的涂料a用涂布机棒涂于无纺布的表面，加热干燥涂层，温度110℃，时间10min，涂布量为10g/m2。
[0076]
(3)涂料b的制备方法为：将所需水总量份的3/4与分散剂六偏磷酸钠混合均匀，加入纳米级驻极体(聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯，质量比为5:5:2)，然后加入剩余水，继续搅拌，超声分散30min，使分散液分散均匀，得到纳米驻极体悬浮液。纳米驻极体悬浮液中固含量为20％，液相中六偏磷酸钠的质量分数为20％，平均粒径为90nm。
[0077]
根据重量比，取100份纳米驻极体悬浮液，根据配比加入胶黏剂pva8份，在搅拌的同时，依次慢慢加入所需量的甘油1份、六偏磷酸钠1份、市售发泡剂3份、nfc3份、壳聚糖1份，每加入一种组分都需要搅拌至混合均匀，得到涂料b；
[0078]
(4)第二涂层的制备方法：将涂料b用涂布机涂布于第一涂层表面，加热干燥得到第二涂层，温度为125℃，时间为12min，涂布量为12g/m2。
[0079]
所得样品所测得过滤效率为86.4％，空气阻力为118pa，驻极后电荷量为1605v。
[0080]
实施例4
[0081]
与实施例2相比，微米级驻极体仅为电气石粉一种，其他条件同实施例2。所得过滤材料的过滤效率为85％，空气阻力为126pa，驻极后电荷量为1503v。
[0082]
实施例5
[0083]
其他条件同实施例2，不同的是，微米级驻极体仅为电气石粉一种，纳米级驻极体仅为聚四氟乙烯一种。所得过滤材料的过滤效率为84％，空气阻力为117pa，驻极后电荷量为1537v。
[0084]
对比例1
[0085]
与实施例2相比，区别在于，不使用微米级涂层，直接在无纺布表面涂布第二层发泡涂层，其他条件同实施例2。所得过滤材料的过滤效率为98％，空气阻力为563pa，驻极后电荷量为1035v。直接在无纺布表面涂发泡涂层，导致纳米级驻极剂堵塞了无纺布的孔隙，从而造成空气阻力的升高，并且单一的纳米级驻极体涂层使得驻极后电荷量具有一定程度的下降。
[0086]
对比例2
[0087]
与实施例2相比，区别在于，第二涂层不添加发泡剂，其他条件同实施例2。所得过滤材料的过滤效率为99％，空气阻力为631pa，驻极后电荷量为1568v。第二涂层未添加发泡剂，导致涂层没有形成空气通道，使得纳米涂料堵塞了第一涂层和无纺布的孔隙，从而增大了呼吸阻力。
[0088]
对比例3
[0089]
与实施例2相比，区别在于，第一、第二涂层均不添加nfc。其他条件同实施例2。所得过滤材料的过滤效率为75％，空气阻力为78pa，驻极后电荷量为1503v。由于没有使用纳米纤维素调节孔隙，导致过滤效率降低。
[0090]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。