一种高效低阻PM2.5抗菌防霉过滤材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效低阻PM2.5抗菌防霉过滤材料的制备方法，属于公共环 保卫生领域。
背景技术
近年来，我国空气质量改善缓慢，大气污染物的排放总量长年居高，尤其是 PM2.5、PM 10等颗粒物浓度超标严重，严重影响了国家社会经济的可持续发 展和人民的生命健康。为此，我国出台了一系列环保政策措施，充分体现出了国 家对环保的空前重视和决定，更进一步将高效低阻长寿命、有害物质协同治理的 非织造布滤料作为未来大气环境治理的核心基础材料。
熔喷过滤布凭借极细的纤维细度(可达1μm)、三维微孔结构，成为亚高效 及以上级别的主打滤料，而经过电晕驻极使熔喷过滤材料中的超细纤维带上静电 荷，使熔喷过滤材料超细纤维过滤再叠加静电吸附过滤，成为高效过滤材料的核 心。但熔喷过滤材料有两个无法解决的缺陷：一是过滤阻力很大；二是其强度很 低，基本无强度。普通蓬松针刺滤料具有较大的孔隙、较高的孔隙率、内部结构 呈三维立体形状、过滤阻力极小等优点，但其过滤效率较差，只能应用于初效过 滤上而不能应用于中高效过滤器中。因此，迫切需要一种既具有良好过滤效率又 具有较低过滤阻力的空气过滤材料。
另外，在一定温、湿度条件下，过滤器过滤粉尘过程中，势必会导致细菌、 霉菌等致病菌的滋生繁殖，造成室内空气的二次污染，危害呼吸健康，这是国际 空气净化行业亟待解决的难题，也是我国防霾健康呼吸急需解决的难题。抗菌防 霉型空气过滤材料是指自身具有灭杀或抑制微生物功能的一类新型功能性净化 材料，一般是通过各种技术和加工工艺将相关整理剂添加到滤材上实现的。
传统制备抗菌防霉过滤材料的方法是通过涂层、浸渍、静电喷涂、磁控溅射 等将抗菌防霉粒子加载到纤维表面。中国专利授权号CN104594024B，发明名称 为“一种制备抗菌防霉纺织品的方法”，该专利所述的抗菌防霉纺织品的主要成 分为平均粒径23nm级触媒氧化锌，将其制成分散液以后，通过将纺织物浸渍在 该分散液的稀释液中，制得抗菌性防霉纺织品，该法制备的抗菌防霉纺织品具有99.99％的抗菌率和良好的防霉特性。中国专利授权号CN206391866U，名称为“汽 车空调滤清器抗菌抑菌防霉滤芯”，该专利的抗菌防霉滤芯由初效阻隔层、过滤 棉层和支撑层组成，初效阻隔层为通过浸泡或喷涂方式将纳米银粒子设置于其 上、下表面，来达到抗菌防霉效果，抗菌率达99.9％以上，防霉等级达到“0”级，但风阻大，耐久性差。其风阻为大于50Pa,连续使用3个月后需要更换。
但是传统方法存在生产效率、压差、密度和耐久性等关键指标的协同难题， 已经成为限制PM2.5抗菌防霉过滤材料研究的关键共性技术难题。例如，现在 的低风阻空气滤芯，风阻为20-30Pa，过滤效率为99.7％。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种高效低阻PM2.5抗菌防霉 过滤材料，还提供了一种制备方法，这种材料不仅具有高效抗菌防霉性能，而且 过滤效果好，风阻小，适合用于防霾过滤材料。
一种高效低阻PM2.5抗菌防霉过滤材料，包括抗菌防霉过滤支撑层及其一 面复合的高效低阻静电棉过滤层，所述抗菌防霉过滤支撑层是纤维分子中混有抗 菌防霉纳米粒子的聚合物纤维长丝层，长丝直径1-5μm；所述高效低阻静电棉过 滤层为针刺无纺布，克重为20-200g/m2。
进一步地讲，所述针刺无纺布是经过高压电晕放电处理过的静电针刺无纺 布，高效低阻静电棉过滤层对PM2.5具有良好的过滤效果，且风阻较低，达到 高效低阻的目的。
所述针刺无纺布是聚丙烯材料。
所述聚合物纤维是聚乳酸、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚丙烯腈或聚氨酯 纤维中的一种或几种混合。
所述抗菌防霉纳米粒子为纳米银粒子、石墨烯粒子、氧化锌粒子、二氧化钛 粒子或氧化银粒子中的一种或几种，且粒子的平均直径在10-100nm之间。
一种高效低阻PM2.5抗菌防霉过滤材料的制备方法，所述制备方法按以下 步骤进行：
a、PM2.5抗菌防霉聚合物溶液的制备
按如下质量百分比：
聚合物15-30％
溶剂60-80％
抗菌防霉纳米粒子0.05-5％
将聚合物、溶剂和抗菌防霉纳米粒子混配后，升温至35-90℃并机械搅拌1-3h 得到含抗菌防霉纳米粒子的聚合物溶液。
b、PM2.5抗菌防霉过滤支撑层的制备
将含抗菌防霉纳米粒子的聚合物溶液注入离心纺丝罐中，含抗菌防霉纳米粒 子的聚合物溶液在离心力的作用下，克服表面张力，形成连续的直径为1-5μm 长丝，长丝在重力的作用下降落和沉积在铺网帘表面形成抗菌防霉过滤支撑层。
c、PM2.5高效低阻静电棉过滤层的制备
将聚丙烯短纤维依次经过开松混合、梳理、铺网，制成较为蓬松的聚丙烯纤 维网，然后再经过针刺机多道针刺加固成克重为20-100g/m2的针刺无纺布，随 后将针刺无纺布通过一个或几个连续的高压电晕放电电场，电压为30-60kV，放 电时间为1-10s，得到高效低阻静电棉过滤层。
d、超声波复合制备高效低阻抗菌防霉过滤材料
将抗菌防霉过滤支撑层和高效低阻静电棉过滤层通过超声波复合机热粘合， 得到高效低阻抗菌防霉过滤材料，其中超声波复合的时间为1.5-3s，频率为 15-25kHz。
所述的聚合物为聚乳酸、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚丙烯腈或聚氨酯中 的一种。
所述的溶剂为水、乙醇、二甲基甲酰胺、二氯甲烷或丙酮中的一种。
优选控制聚合物浓度为15-30％，当聚合物浓度大于30％时，容易堵塞离心 纺丝孔，不利于离心纺丝的进行；聚合物浓度小于15％时，浓度太低，不易纺出 连续的长丝。
所述的抗菌防霉纳米粒子为纳米银粒子、石墨烯粒子、氧化锌粒子、二氧化 钛粒子或氧化银粒子中的一种或几种，且粒子的平均直径在10-100nm之间。
抗菌防霉过滤层纤维的直径跟纺丝孔孔径和纺丝罐的转速有关，可以通过调 节纺丝孔孔径和纺丝罐的转速来调节纤维的直径。优选纺丝孔孔径为 100-300μm，同时以50r/s的速率增加纺丝罐的转速至4000-6000r/min。
由于采用了以上技术方案，本发明具有如下效果：
高效低阻PM2.5抗菌防霉过滤材料具有以下优点：
(1)本发明利用含抗菌防霉纳米粒子的聚合物超细纤维，有效增大抗菌防 霉粒子与致病菌的接触面积，利用超细纤维高的孔隙率，达到更持久的抗菌防霉 效果。
(2)利用针刺无纺布得到高效低阻静电棉过滤层，PM2.5过滤效率≥ 99％，风阻≤10Pa，解决了过滤效率和风阻相矛盾的问题。
(3)利用表面电荷的抑菌作用与抗菌防霉纳米粒子相结合，提高抑菌防霉 效果。
(4)抗菌防霉过滤支撑层和高效低阻静电棉过滤层通过超声波粘合机复合， 避免了化学粘合剂对环境的污染，复合效果好，工序简单。
(5)抗菌防霉纳米粒子与聚合物混合后成丝，抗菌防霉粒子是融合在构成 超细纤维的聚合物高分子之间，而不是仅附着于纤维表面，因此不易与纤维分离 且均匀分布，提高了抗菌防霉的耐久性。
附图说明
图1为本发明的生产流程图；
图2为实施例1的扫描电镜照片；
图3为实施例2的扫描电镜照片；
图4为实施例3的扫描电镜照片；
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
参照图1所示，高效低阻PM2.5抗菌防霉过滤材料的制备方法包括以下步 骤：
a、PM2.5抗菌防霉聚合物溶液的制备
将质量分数为15％的聚乳酸、80％的二氯甲烷溶液和5％平均直径为10nm纳 米银粒子混配后，升温至40℃并机械搅拌3h得到含纳米银粒子的聚乳酸溶液。
b、PM2.5抗菌防霉过滤支撑层的制备
将含纳米银粒子的聚乳酸溶液注入纺丝孔孔径为100μm的离心纺丝罐中， 同时以50r/s的速率增加纺丝罐的转速至4000r/min，含纳米银粒子的聚乳酸溶 液在离心力的作用下，克服表面张力，形成连续的直径为2μm长丝，长丝在重 力的作用下降落和沉积在铺网帘表面形成抗菌防霉过滤支撑层。
c、PM2.5高效低阻静电棉过滤层的制备
将聚丙烯短纤维依次经过开松混合、梳理、铺网，制成较为蓬松的聚丙烯纤 维网，然后再经过针刺机多道针刺加固成克重为20g/m2的针刺无纺布，随后将 针刺无纺布通过一个高压电晕放电电场，电压为35kV，放电时间为3s，得到高 效低阻静电棉过滤层。
d、超声波复合制备高效低阻抗菌防霉过滤材料
将抗菌防霉过滤支撑层和高效低阻静电棉过滤层通过超声波复合机热粘合， 得到高效低阻抗菌防霉过滤材料，其中超声波复合的时间为1.5s，频率为25kHz。
得到的过滤材料电镜照片如图2所示。
实施例2
按上述方法，高效低阻PM2.5抗菌防霉过滤材料的制备方法包括以下步骤：
a、PM2.5抗菌防霉聚合物溶液的制备
将质量分数为30％的聚氨酯、69％的二甲基甲酰胺溶液和1％平均直径为 20nm的二氧化钛纳米粒子混配后，升温至60℃并机械搅拌2h得到含二氧化钛 纳米粒子的聚氨酯溶液。
b、PM2.5抗菌防霉过滤支撑层的制备
将含二氧化钛纳米粒子的聚氨酯溶液注入纺丝孔孔径为300μm的离心纺丝 罐中，同时以50r/s的速率增加纺丝罐的转速至5000r/min，含二氧化钛纳米粒 子的聚氨酯溶液在离心力的作用下，克服表面张力，形成连续的直径为3μm长 丝，长丝在重力的作用下降落和沉积在铺网帘表面形成抗菌防霉过滤支撑层。
c、PM2.5高效低阻静电棉过滤层的制备
将聚丙烯短纤维依次经过开松混合、梳理、铺网，制成较为蓬松的聚丙烯纤 维网，然后再经过针刺机多道针刺加固成克重为45g/m2的针刺无纺布，随后将 针刺无纺布通过一个高压电晕放电电场，电压为50kV，放电时间为10s，得到高 效低阻静电棉过滤层。
d、超声波复合制备高效低阻抗菌防霉过滤材料
将抗菌防霉过滤支撑层和高效低阻静电棉过滤层通过超声波复合机热粘合， 得到高效低阻抗菌防霉过滤材料，其中超声波复合的时间为2s，频率为20kHz。
得到的过滤材料电镜照片如图3所示。
实施例3
按上述方法，高效低阻PM2.5抗菌防霉过滤材料的制备方法包括以下步骤：
a、PM2.5抗菌防霉聚合物溶液的制备
将质量分数为25％的聚丙烯腈、72％的二甲基甲酰胺溶液和3％平均直径为 50nm的氧化锌纳米粒子混配后，升温至50℃并机械搅拌1h得到含氧化锌纳米 粒子的聚丙烯腈溶液。
b、PM2.5抗菌防霉过滤支撑层的制备
将含氧化锌纳米粒子的聚丙烯腈溶液注入纺丝孔孔径为200μm的离心纺丝 罐中，同时以50r/s的速率增加纺丝罐的转速至5500r/min，含氧化锌纳米粒子 的聚丙烯腈溶液在离心力的作用下，克服表面张力，形成连续的直径为2.5μm长 丝，长丝在重力的作用下降落和沉积在铺网帘表面形成抗菌防霉过滤支撑层。
c、PM2.5高效低阻静电棉过滤层的制备
将聚丙烯短纤维依次经过开松混合、梳理、铺网，制成较为蓬松的聚丙烯纤 维网，然后再经过针刺机多道针刺加固成克重为80g/m2的针刺无纺布，随后将 针刺无纺布通过一个高压电晕放电电场，电压为60kV，放电时间为2s，得到高 效低阻静电棉过滤层。
d、超声波复合制备高效低阻抗菌防霉过滤材料
将抗菌防霉过滤支撑层和高效低阻静电棉过滤层通过超声波复合机热粘合， 得到高效低阻抗菌防霉过滤材料，其中超声波复合的时间为3s，频率为15kHz。
得到的过滤材料电镜照片如图4所示。
对比例1
与实施例1相比，没加纳米银粒子，其它步骤与实施例1相同。
对比例2
对比例2，针刺布没有进行高压电晕处理，其它步骤与实施例1相同。
对比例3
市售HEPA低风阻滤芯，东莞市云清空气净化器材有限公司生产，熔喷+长 纤维结构。
试验例
将对比例1、2与实施例1、2、3进行对比，分别测定了过滤效率、风阻、 抗菌效果(24h细菌减少率)、防霉等级(28天后)和抗菌持久性，抗菌持久性 按连续使用6个月后的抗菌效果表示，结果见表1.
表1
由表1可以看出，相对于对比例1，由于对比例1没加纳米银离子，抗菌效 果仅约为20％。相对于对比例2，由于对比例2未进行电晕处理，过滤效率仅为 60％，明显低于实施例1、2、3，表明电晕处理对提高过滤效率有很大的促作用。 结果说明高压电晕处理，能在保证材料风阻不变的情况下，大大的提高材料的过 滤效率。丙纶纤维经针刺加工后再通过电晕放电，使丙纶纤维上带上电荷形成静 电场，使细小尘埃带上电荷，通过异性电荷相互吸引作用，粉尘被吸附到纤维上， 从而达到更高的过滤效率。由实施例2、3对比，可以看出，过滤效率和过滤阻 力随电晕电压强度及过滤材料克重的增大而增大，造成这一现象的原因可能是因 为克重大的过滤材料具有更长的过滤路径和更小的孔径分布，使得空气在过滤过程中通量减少而阻力变大，过滤效果提高；同时电晕驻极放电电压越大，材料表 面获得的静电压越大，具有更好的粒子吸附效果。而对比例3为市售低风阻滤芯， 在过滤效率相当时，但风阻仍然比实施例1、2、3高了数倍，同时抗菌持久性较 差，6个月后下降明显。
因此，本发明具有优良了高效、低风阻和持久的抗菌防毒效果。
