1.本发明涉及一种超高效率、高容尘、长寿命、高强度的空气过滤材料的制备方法，尤其是以不同结构的功能高分子材料为原料，采用多模块组合式静电纺丝的方法产业化制备纳米纤维膜，所制备的纳米材料可应用于超高洁净级别的生产车间，包括半导体、电子产品、药品、食品、化妆品等领域加工企业的超净车间。
背景技术：
2.半导体、电子器件、药品、食品、化妆品等领域对生产加工环境的要求很高，环境洁净程度直接影响终端产品的良率和品质，因此，配套超净生产车间的高效过滤材料(hepa)与超高效过滤材料(ulpa)及其相关组件的过滤性能，直接决定超净室的洁净等级。尤其是洁净等级超过百级的生产环境，对过滤材料提出更高的要求。
3.目前，用来制作hepa或是ulpa的过滤材料多为玻璃纤维或是聚四氟乙烯(ptfe)等化纤材料。玻璃纤维具有过滤效率高、耐化学性能稳定、耐高温等优良性能，但同时又有容易脆断，从而弥散于洁净空间，一方面导致终端产品不良率增加；另一方面，细微的玻璃纤维吸入人体，很难代谢，会带来生产工人的健康隐患。另外，玻璃纤维制备的过滤器还有一大缺陷是材料阻力过高，从而导致过滤器结构阻力高，能耗高。ptfe材料虽然克服了玻璃纤维易脆断，易吸入及导致不良率的缺陷，但ptfe材料自身加工艺导致其均匀性不稳定，过滤阻力偏高。在当下全球推进降低能耗的大环境下，开发出具有超高效过滤材料，同时又具有相对较低阻力，从而大幅降低能耗，延长使用寿命的过滤材料对于上述配套超净车间的生产领域而言非常重要。
4.与上述超高效过滤材料相比，具有高强度、高滤效、低阻力的复合纳米纤维材料，具有明显的竞争优势。通过制备复合纳米纤维膜获得高效低阻过滤膜的方法[丁斌等.高效低阻复合纤维pm2.5过滤膜及静电纺丝制备方法[p].中国专利：zl201410108986.4，2014-03-24]，可制备得滤效达到95％-99.97％，阻力低于300pa的过滤膜。但该方法所制备的过滤材料效率偏低，且无法解决材料强度低，易碎裂、阻力相对较高、产能偏低的缺陷，成为其在各个领域应用的主要瓶颈。
[0005]
基于上述基于静电纺丝的方法制备空气过滤材料所存在的优势与缺陷，需开发一种可以产业化生产的复合纳米纤维材料，并赋予纳米材料较高过滤效率，较低过滤阻力及较长使用寿命与良好的透气性能的方法。
技术实现要素：
[0006]
本发明的目的是提供一种高容尘、长寿命、超高过滤效率、相对低阻力的复合微纳米纤维材料其制备方法，采用多模块组合式静电纺丝法产业化制备复合微纳米纤维过滤材料，并赋予所制备的材料过滤效率高、过滤阻力低、透气透湿性能好、使用寿命长、容尘量高、机械强度高等优势。
[0007]
本发明所涉及的具有复合结构的微纳米纤维空气过滤膜，可应用于半导体、电子
器件、药品等对于加工环境要求较高行业领域，作为超净室的过滤材料配套。本发明所述的具有复合结构的微纳米纤维空气过滤膜是指借助静电纺丝及静电喷雾结合的方法，将功能添加材料与微纳米纤维材料交替喷涂于聚酯骨架材料及复合熔喷材料表面，一方面增强复合材料之间的粘结强度，另一方面，赋予材料超高过滤效率，相对较低的过滤阻力，高容尘以及长寿命等性能特征。与该领域常用的玻璃纤维及ptfe纤维材料相比，本发明所属的复合微纳米纤维材料过滤效率可高达99.9999％，而对应的阻力则可控制在300pa以下，远低于同等级玻璃纤维及ptfe纤维材料的空气过滤阻力。
[0008]
为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：
[0009]
本发明所涉及的一种超高效率空气过滤材料的制备方法，具体步骤包括：
[0010]
(1)配制聚合物溶液，包括实现超高过滤效率性能的功能聚合物原液以及实现材料强度改善的增强结构高分子材料原液；
[0011]
(2)将所配置的功能聚合物原液和增强结构高分子材料原液，按照设定顺序置于设定数量的静电纺丝单元中，以无纺布作为接收基材，通过静电纺丝的工艺喷涂在接收基材表面形成微纳米纤维，得到具有复合结构的微纳米纤维空气过滤膜；
[0012]
(3)将所得到的复合结构的微纳米纤维空气过滤膜，经过烘箱干燥、收卷、分切后道工艺，制成超高效空气过滤器所需的过滤膜卷材。
[0013]
优选的，采用nacl气溶胶、流速为5.33cm/s的测试条件下，所制备的微纳米纤维空气过滤膜的过滤效率为99.999％-99.9999％，滤阻不高于300pa。
[0014]
优选的，步骤(1)中，所述功能聚合物原液配制过程中所使用的功能聚合物包括下列高分子聚合物中的一种或几种：聚丙烯腈，聚氨酯，聚酰胺，聚苯乙烯，聚醚，聚偏氟乙烯，尼龙6，聚乙烯醇，聚乳酸。
[0015]
优选的，步骤(1)中，所述功能聚合物原液配制过程中所选用的溶剂为以下溶剂的一种或几种：甲酸、乙醇、甲醇、乙酸、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、三氟乙酸、四氢呋喃、丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、六氟异丙醇。
[0016]
优选的，步骤(1)中，所述的功能聚合物原液配制过程，功能聚合物与溶剂按质量比1：5-1：3的比例配制，最终聚合物溶液浓度为5％-25％。
[0017]
优选的，步骤(1)中，所述的增强结构高分子材料原液配制过程中所使用的增强结构高分子材料包括下列聚合物材料的一种或几种：酚醛树脂、环氧树脂、聚氨酯、脲醛树脂、聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯、聚酰亚胺、醇酸树脂。
[0018]
优选的，步骤(1)中，所述的增强结构高分子材料原液配制过程中还需要加入固化剂，所述增强结构高分子材料原液与固化剂的质量比为6：1-3：1。
[0019]
优选的，步骤(2)中，所述的微纳米纤维空气过滤膜加工过程中，具体工艺参数如下：纺丝电压为40-70kv，接收距离为15-25cm，车速为0.5m/min-10m/min。
[0020]
优选的，在步骤(2)中，共有10个静电纺丝单元，增强结构高分子材料原液与功能聚合物原液的比例可根据所要求的材料强度动态设计，增强结构高分子材料原液与功能聚合物原液的纺丝比例为1：20-1：1。
[0021]
优选的，在步骤(2)中，所述的接收基材为熔喷无纺布、热风无纺布、纺粘无纺布、涤纶长丝无纺布中的一种或几种。
[0022]
本发明通过组合喷丝工艺，在获取超高效率微纳米纤维空气过滤膜的同时，保证
材料的强度，从根本解决了静电纺丝工艺所固有的材料强度低的缺陷。根据车速要求不同，调整增强高分子溶液浓度参与纺丝的比例，一方面可得到超高效率的微纳米纤维空气过滤膜，过滤效率可达到99.999％-99.9999％；另一方面，又保证了纤维膜与基材的粘结强度。另外，多模块组合式喷丝的方式，使产能得到了基本保证，单日产能可实现1万平方米以上。
[0023]
本发明制备的复合空气过滤材料可实现批量化生产，均匀度及重复性好，工艺简单，与现有竞品玻璃纤维相比，具有阻力下降30％-50％，具有更高的安全性等优势；与现有竞品ptfe过滤材料相比，具有阻力下降10％-20％，成本更低，均匀度更高的优势，在超高效过滤材料应用领域有乐观前景。
[0024]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0025]
(1)与现有静电纺丝工艺技术所制备的产品相比，本发明所获得的超高效复合微纳米纤维膜与基材的粘结强度明显增强，这赋予最终材料更高的强度和耐磨性能，增加了产品的使用寿命。
[0026]
(2)本发明选用纤维直径较细的无纺布材料作为接收材料，可实现空气过滤效率搞到99.9999％，同时阻力控制在300pa以下，通常为200-250pa左右，这是目前相关竞品很难实现的性能指标。
[0027]
(3)本发明所选用的组合式、多模块静电纺丝工艺，使功能材料的引入非常简便，将功能高分子材料加工成为纳米纤维的同时，使其发挥粘结性能强的优势，从而改善材料的整体强度，这在国内外相关文献还未见报道。
[0028]
(4)本发明所采用的加工方法简单易行，在保证优良性能的同时，保证了较高的产能，为实现批量化生产提供了前提条件。
具体实施方式
[0029]
下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
[0030]
实施例1
[0031]
将10kg聚丙烯腈(pan)溶于90kg的n,n-二甲基甲酰胺中，搅拌20小时至完全溶解，得到聚丙烯腈/n,n-二甲基甲酰胺纺丝液；再将环氧树脂及固化剂以3：1的质量比混合均匀。采用多模块静电纺丝设备进行纺丝，其中第一个模块，即第一个静电纺丝单元，装载环氧树脂与固化剂混合液，其余九个模块装载聚丙烯腈/n,n-二甲基甲酰胺纺丝溶液，接收基材为熔喷无纺布，纺丝参数为：电压45kv，接收距离18cm，车速2m/min；经过纺丝设备的烘干箱体，分切收卷后最终得到粘结强度较高，不同幅宽的聚丙烯腈纳米纤维空气过滤材料。
[0032]
实施例2
[0033]
将15kg聚丙烯腈溶于85kg的n,n-二甲基甲酰胺中，搅拌20小时至完全溶解，得到聚丙烯腈/n,n-二甲基甲酰胺纺丝液；再将环氧树脂及固化剂以3：1的质量比混合均匀。采用多模块静电纺丝设备进行纺丝，其中第一及第二个模块装载环氧树脂与固化剂混合液，其余八个模块装载聚丙烯腈/n,n-二甲基甲酰胺纺丝溶液，接收基材为涤纶长丝无纺布；纺丝参数为：电压45kv，接收距离18cm，车速1.5m/min；经过纺丝设备的烘干箱体，分切收卷后最终得到粘结强度较高，不同幅宽的聚丙烯腈纳米纤维空气过滤材料。
[0034]
实施例3
[0035]
将10kg聚氨酯(tpu)溶于90kg的n,n-二甲基乙酰胺中，搅拌15小时至完全溶解，得
到聚氨酯/n,n-二甲基乙酰胺纺丝液；再将聚氨酯及固化剂以4：1的质量比混合均匀。采用多模块静电纺丝设备进行纺丝，其中第一个模块装载环氧树脂溶液，其余九个模块装载聚氨酯与固化剂混合液，接收基材为热风无纺布；纺丝参数为：电压45kv，接收距离18cm，车速1m/min；经过纺丝设备的烘干箱体，分切收卷后最终得到粘结强度较高，不同幅宽的聚氨酯纳米纤维空气过滤材料。
[0036]
实施例4
[0037]
将8kg聚酰胺6(pa6)溶于92kg的甲酸与乙酸混合溶剂中，搅拌15小时至完全溶解，得到聚酰胺/甲乙酸纺丝液；再将聚氨酯及固化剂以4：1的质量比混合均匀。采用多模块静电纺丝设备进行纺丝，其中第一个模块装载环氧树脂溶液，其余九个模块装载聚酰胺溶液，接收基材为熔喷无纺布；纺丝参数为：电压45kv，接收距离18cm，车速2m/min；经过纺丝设备的烘干箱体，分切收卷后最终得到粘结强度较高，不同幅宽的聚酰胺纳米纤维空气过滤材料。
[0038]
实施例5
[0039]
将5kg聚乳酸(pla)溶于95kg的氯仿及n,n-二甲基甲酰胺混合溶剂中，搅拌20小时至完全溶解，得到聚乳酸/氯仿及n,n-二甲基甲酰胺纺丝液；再将环氧树脂及固化剂以3：1的质量比混合均匀。采用多模块静电纺丝设备进行纺丝，其中第一个模块装载环氧树脂与固化剂混合液，其余九个模块装载聚丙烯腈纺丝溶液，接收基材为聚乳酸热风无纺布；纺丝参数为：电压45kv，接收距离18cm，车速2m/min；经过纺丝设备的烘干箱体，分切收卷后最终得到粘结强度较高，不同幅宽的聚乳酸纳米纤维空气过滤材料。
[0040]
对实施例1至实施例5所制备的空气过滤材料，与对比例所涉及的过滤材料进行过滤性能的对比。实施例1至实施例5中作为基材的无纺布的克重相同。
[0041]
表1超高效过滤材料过滤性能指标
[0042]
样品编号过滤材料过滤效率@5.33cm/s阻力(pa)容尘量(g)对比例玻璃纤维99.99％350379.6实施例1pan纳米纤维膜99.999％229785.3实施例2pan纳米纤维膜99.9999％267815.6实施例3tpu纳米纤维膜99.995％182601.8实施例4pa6纳米纤维膜99.995％164790.2实施例5pla纳米纤维膜99.99％191721.8
[0043]
对实施例1至实施例5所制备的空气过滤材料，与对比例1、对比例2所涉及的过滤材料进行物理性能的对比。在对横向强力和纵向强力进行测试时，宽度相同。
[0044]
表2复合纳米纤维膜粘结强度
[0045]
样品编号加工工艺横向强力/n纵向强力/n对比例1普通静电纺丝膜19.248对比例2玻璃纤维滤料59.3118.5实施例1实施例1所述组合工艺87.3243.2实施例2实施例2所述组合工艺88.3234.9实施例3实施例3所述组合工艺73.4286.6实施例4实施例4所述组合工艺65252.1
实施例5实施例5所述组合工艺62240
[0046]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。