一种具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种非织造材料，特别是涉及一种具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材及其制备方法和用途。
背景技术
在车载空调、新风净化等空气过滤领域，目前国内外市场上的主流技术和中高效过滤产品主要是熔喷精细过滤材料或静电棉过滤材料，通过胶复合或超声波粘合或高温高压复合等工艺，与无纺布骨架增强材料复合而成，从而满足中效过滤不同等级的标准和要求。
在常规的F、H级别中高效过滤材料中，国内外采用的也是上述熔喷复合骨架材料的产品，且复合过滤材料也是当今国内外研究热点，重点集中在熔喷精细过滤材料的静电驻极技术的开发，熔喷与骨架材料复合工艺的优化提升、多层纤维网复合技术以及复合滤材的高效低阻性能研究等多方面。专利CN105999856A公开了一种增能的聚丙烯/聚酯双组分纺粘滤料及其制备方法，其主要是采用多层不同细度的纺粘长丝纤维网叠加后再加固成型，最后经电晕充电获得滤材，其加工工艺涉及多道加工，过程工艺控制点多而杂，产品过滤阻力较大；专利CN105964059A公开了一种增能的聚乙烯/聚丙烯双组分纺粘滤料及其制备方法，其主要发明内容原理与对应的产品特定同上；专利CN1055586714A公开一种高静电长纤维无纺布及制造方法，其涉及一种皮芯结构的长丝纺粘过滤材料，其主要是将无机物粒子添加到皮层材料中后制成无纺布后再加静电处理，最终获得过滤材料，但存在无机物添加后纺丝工艺和丝束质量较难控制，且静电处理后过滤性能批次不稳定等问题，此外，无机物粒子只能添加到皮层，工艺单一，且微细颗粒与聚合物切片很难混合均匀，存在最终产品质量不稳定的风险隐患。尤其值得指出的是，上述现有技术和产品均不具备阻燃功能，且其硬挺度无法保证，自增强性能较差或必须与其他材料复合以达到增强的效果，不利于后道机械打折的处理。
在众多不同种类的复合过滤材料中，其虽然具有精细过滤和高容尘量等优势特点，但是其多层复合工艺控制相对更加精细和复杂，复合过滤材料的制造加工过程分为多步进行，对组分材料的性能指标、成品率等要求很高，且胶覆合工艺为主流的加工工艺，其中胶的种类、气味和环保性均存在对人身健康有安全隐患；复合过滤材料被加工成过滤器前需要进行机械打折，过程中复合材很容易出现表层材料磨损、起毛、分层等问题，从而导致复合过滤材料性能下降，成本和良品率较难控制；此外，复合过滤材料一般是熔喷材料或静电棉材料，通过胶覆合或热轧或超声波覆合的方式进行复合加工，其工艺的特定决定了产品材料的过滤阻力普遍较大，客观的增大了空气净化系统的能源消耗。
再者，当前过滤领域市场上常见的具有阻燃功能的以单纯的骨架支撑材料为主，现多为干法短纤、湿法短纤骨材，这两种材料虽已有非常成熟完备的制造技术和极高的市场普及度，但仍存在以下暂无法避免的缺陷：
1、短纤干法骨材多由聚酯短纤与低熔点短纤混纺后热熔加固而成，但该种材料在后道工序中与其他材料复合工艺中，其工艺温度工况下极易出现因低熔点纤维再次熔化而受热收缩、大幅度形变；
2、湿法短纤骨材因逸散有毒气味在越来越强调VOC管控的汽车制造应用行业有迫在眉睫的品质隐患；
3、短纤干法、湿法骨材后道打褶后回弹形变量较小，不利于汽车空调滤芯装入、拆出总成；
4、短纤骨材组分纤维排列取向杂乱，成型后其外观色泽较暗地，织物风格美感度较差；
5、短纤骨材多采用浸渍阻燃母液、拉幅烘干的工艺来实现阻燃属性，工艺较为困难且易变色，更为关键的是该工艺无法应对日益严苛的环保监察。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材及其制备方法和用途，用于替代市场上现有过滤复合材料或解决现有技术中存在的问题，同时也填补了当前空气过滤领域内阻燃功能与静电过滤功能合二为一的相关产品与技术空白。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。
本发明提供一种具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材的制备方法，包括如下步骤：
1)熔融纺丝：采用A组分和B组分经熔融纺丝后形成皮芯结构连续型双组分复合长丝；A组分包括聚乙烯和具有储电作用的功能介质，B组分包括聚丙烯和具有阻燃功能的介质；或A组分包括聚乙烯和具有阻燃功能的介质，B组分包括聚丙烯和具有储电作用的功能介质；
2)成网：皮芯结构连续型双组分复合长丝经分丝后成网；
3)加固成型：采用热风熔融粘合固结形成双组分纺粘材料；
4)高压静电处理：对双组分纺粘材料充电。
可选地，本申请中熔点较高的B组分形成芯层，熔点较低的A组分形成皮层。
优选地，本申请中皮芯结构连续型双组分复合长丝中皮芯结构为同心圆结构。
优选地，A组分和B组分的质量比为3:7～5:5。
优选地，步骤1)中，所述皮芯结构连续型双组分复合长丝的细度为5～12旦尼尔。
优选地，具有储电作用的功能介质包括如下原料组分及重量份：
所述具有储电作用的功能介质为将各原料组分共混造粒后获得。
优选地，所述聚烯烃切片为80～90重量份。
优选地，所述聚烯烃切片为聚乙烯或聚丙烯。
优选地，聚烯烃切片的熔融指数为(12～40)g/10min。
优选地，所述受阻胺光稳定剂的受阻胺光稳定剂944。
可选地，所述具有储电作用的功能介质的添加量为A组分总质量的0.5wt％～4wt％。
具有储电作用的功能介质，主要采用电负性强的聚烯烃为基体，添加介电性能突出的非极性材料捕捉电荷，同时使用活性组分提高整体抓电活性，并在稳定剂调节下，通过成核剂成分增大纤维的结晶度，从而达到更多更稳定的储存被捕捉的电荷量。
更优选地，所述具有阻燃功能的介质为聚烯烃类的无卤素阻燃母粒。如为无卤素聚乙烯阻燃母粒或无卤素聚丙烯阻燃母粒。
优选地，所述具有阻燃功能的介质的添加量为A组分或B组分总质量的3wt％～10wt％。
优选地，A组分和B组分分别经螺杆挤出机熔融推挤后进入复合纺丝箱体，然后经熔体流道精确分配与纺丝组件系统进行纺丝后，形成皮芯结构连续型双组分复合长丝。
更优选地，A组分经螺杆挤压机进行熔融挤出的温度为210～240℃。
更优选地，A组分熔融挤出后形成的熔体经过滤器过滤。更优选地，过滤前压力为4～12MPa，过滤后压力为6～10MPa。
更优选地，步骤1)中，过滤后A组分熔体经计量泵计量。更优选地，计量泵转速8～25rpm。
更优选地，B组分经螺杆挤出机进行熔融挤出的温度设定为240℃～295℃。
更优选地，B组分熔融挤出后形成的熔体经过滤器过滤。更优选地，过滤前压力为4～12MPa；过滤后压力为6～10MPa。更优选地，B组分熔融挤出后形成的熔体经增加泵升压至5～12MPa。更优选地，步骤1)中，过滤后B组分聚烯烃聚合物熔体经计量泵计量。更优选地，计量泵转速为8～25rpm。
优选地，在复合纺丝箱体中，复合纺丝箱体的温度为220℃～265℃。
更优选地，形成的皮芯结构连续型双组分复合长丝还经过后处理，所述后处理包括抽吸净化、冷风冷却和牵伸。优选地，在复合纺丝箱体的喷丝板下方两侧设有单体抽吸净化系统，两侧抽吸风量为650～1000rpm。更优选地，所述冷风冷却中风温为10～30℃；相对湿度为55～80％，风量为900～1350rpm。优选地，牵伸采用正压气流牵伸系统。更优选地，牵伸风压为0.08～0.35MPa。
优选地，步骤2)中，经分丝器进行分丝导丝。采用成网机进行成网。更优选地，成网速度为5～50m/min。
优选地，步骤3)中，双组分复合长丝纤维网经网帘传送至圆网烘箱或平网烘箱，通过高温热风穿透纤维网，使得皮层低熔点组分材料熔融，而芯层高熔点组分材料不熔融，双组分长丝纤维网产生熔融粘合，最后再经一对光面金属圆辊轻轧成型。其中，热风温度为90～180℃，车速5～50m/min，金属辊表面温度为50～100℃，辊间压力1～7MPa。
优选地，步骤4)中，双组分纺粘材料经高压静电为交变直流电场电晕充电，材料正、反两面充电，其充电电压为10KV～120KV。优选地，释放电荷的金属针或金属丝与材料的垂直距离2cm～15cm。优选地，充电时间为2s～20s。
本发明还公开了一种具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材，由上述方法制备获得。
优选地，所述具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材的克重为90～150g/m2。
优选地，具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材的幅宽为1.6～32.m。
本发明还公开了如上述所述的具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材在空气过滤领域的用途。
本发明中所述具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材为单层中高效滤材，但是已经可以达到复合滤材同等过滤效能，同时具有物理阻隔和静电吸附双重过滤功能，有优越的自增强性能可直接进行打折加工，并具备了极低的过滤阻力和较高的空气通透性，完全可以替代目前市场上相应中效过滤的复合过滤材料产品，尤其是所述阻燃功能，可以满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准，主要应用于汽车空调过滤、新风系统过滤、吸尘器过滤、家用空气净化器等领域。
本发明与现有技术相比，有如下优点：
1.本发明的具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材，通过组分聚合物的热性能优化搭配，利用不同熔融性质聚合物的复合纺丝成网和热熔粘合加固成型工艺，最终经过高压静电处理后获得驻极过滤产品，达到了较高的机械强力和硬挺度，在实际生产中可以根据具体的新风净化环境条件，制造不同长丝直径的静电驻极过滤材料，整个工艺流程为一体化一步法在线直接成网成型和电晕充电，制造工艺较同等过滤等级的离线复合滤材制造工艺大大简化，生产过程绿色环保，易于操作，产品性能稳定可靠。
2.本发明的具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材，作为单层滤材，凭借优异的自增强特性，可以在汽车车载空调、新风系统以及空气净化器等领域替代常规熔喷+骨架的复合滤材，也可以直接打折制作成滤芯，制造成本大大降低，性价比高，且彻底杜绝了有安全隐患的胶成分，实现了真正的100％无胶的过滤材料。
3.本发明的具有阻燃功能的聚烯烃静电滤材，其织物外观风格与目前市场上常见的短纤骨架+熔喷过滤产品的风格实现了差异化和可辨识性，具有独特的长丝美感。
4.本发明采用热风穿透熔融粘合加固的工艺技术和电晕双面充电技术，皮芯结构连续型双组分复合长丝之间可以有效的依靠熔融点或熔融面进行固结，既保证了过滤无纺布介质的蓬松性也兼顾了材料的强度，同时经过高压电晕充电后，使得材料具备了物理阻隔和静电吸附双重过滤功能，更突出的是，最终产品具有了极低的过滤阻力和较高的空气通透性，对产品的终端应用节能降耗效果显著。
本发明的具有阻燃功能的聚烯烃纺粘长丝静电滤材，其突出优点就在于是将阻燃功能与静电过滤功能合而为一，尤其阻燃性能可以满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准，该项产品填补了国内空气净化领域的技术空白，有力的推动行业进步。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
实施例1
A组分中聚烯烃为PE母粒，熔点130～135℃，同时在A组分的PE母粒中混入占A组分总质量0.8wt％的具有储电作用的功能介质；B组分中聚烯烃为PP母粒，熔点162～165℃，同时在B组分的PP母粒中混入占B组分总质量为10wt％的PP无卤素阻燃母粒。A组分和B组分的质量比为30％：70％。
本实施例中具有储电作用的功能介质包括如下原料组分及重量份：
所述具有储电作用的功能介质为将各原料组分共混造粒后获得。
所述聚烯烃切片为聚乙烯。
聚乙烯切片的熔融指数为20g/10min。
所述受阻胺光稳定剂的受阻胺光稳定剂944。
本申请中所采用的聚合物均为烯烃类聚合物，无需去水分处理。A组分和B组分分别经过各自的螺杆挤出机进行熔融推挤。
A组分经过单螺杆挤出机进行熔融，其温区设置为：210℃、220℃、235℃、235℃、235℃、230℃，熔体温度229℃，A组分熔体经过滤器过滤，滤前压力5.45MPa，滤后压力6.5MPa，然后熔体进入计量泵计量，计量泵转速12rpm，定量的熔体进入复合纺丝箱体。
B组分经过双螺杆挤出机进行熔融，其温区设置为：240℃、250℃、270℃、275℃、275℃、275℃、275℃、270℃，熔体温度275.5℃，B组分熔体经过增压泵升压后进入过滤器过滤，滤前压力10.0MPa，滤后压力6.5MPa，然后熔体进入计量泵计量，计量泵转速18rpm，定量的熔体进入复合纺丝箱体。
复合纺丝箱体的熔体分配密闭空间温度保持在245℃；单体抽吸风量为750rpm；两侧对吹的冷风温度12℃，相对湿度60％，风量950rpm；气流牵伸风压为0.18MPa；成网速度15.5m/min,；成网机主抽吸风量1250rpm，辅助抽吸风量1050rpm；圆网热风烘箱温度设定为134.5℃；圆网热风设备出布后的金属圆辊温度为80℃，圆辊间压力1.5MPa；材料电晕充电电压为45KV，释放电荷的金属丝与材料的垂直距离5cm，充电时间为3.50s；经高压静电处理过后的无纺布经收卷机卷绕成卷，最终布卷再经分切机分切产品克重为110g/m2。
采用TSI8130A滤料综合性能测试平台测试所得的静电骨架过滤材料，测试条件：流速32L/min，氯化钠气溶胶中值直径0.3微米，过滤效率45％，过滤阻力2.2Pa；实测纤维细度8D；实测阻燃性能结果为：离火自熄，满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
对比例1-1
本对比例实施过程中，A组分中不添加具有储电作用的功能介质，其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例1相同。克重为110g/m2，实测的过滤效率为2.97％，过滤阻力为2.3Pa；实测纤维细度8.6D；实测阻燃性能结果为：离火自熄，满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
对比例1-2
本对比例实施过程中，B组分中不添加具有阻燃功能的介质，其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例1相同。克重为110g/m2，实测的过滤效率为48％，过滤阻力为2.3Pa；实测纤维细度8.7D；实测阻燃性能结果为：离火仍燃，不满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
对比例1-3
本对比例实施过程中，A组分中不添加具有储电作用的功能介质；B组分中不添加具有阻燃功能的介质，其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例1相同。克重为110g/m2，实测的过滤效率为3.09％，过滤阻力为2.3Pa；实测纤维细度8.3D；实测阻燃性能结果为：离火仍燃，不满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
实施例2
A组分中聚烯烃聚合物为PE母粒，熔点130～135℃，同时在A组分的PE母粒中混入占A组分总质量为1.5wt％的具有储电作用的功能介质；B组分聚合物为PP母粒，熔点162～165℃，同时在B组分的PP母粒中混入占B组分总质量为3wt％的PP无卤素阻燃母粒。
本实施例中具有储电作用的功能介质包括如下原料组分及重量份：
所述具有储电作用的功能介质为将各原料组分共混造粒后获得。
所述聚烯烃切片为聚乙烯。
聚乙烯切片的熔融指数为25g/10min。
所述受阻胺光稳定剂的受阻胺光稳定剂944。
A组分和B组分的质量比为50％：50％。A组分和B组分的计量泵转速均为15rpm，成网速度12.5m/min。其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例1相同。克重为110g/㎡规格，采用TSI8130A滤料综合性能测试平台测试所得的静电骨架过滤材料，测试条件：流速32L/min，氯化钠气溶胶中值直径0.3微米，过滤效率54％，过滤阻力2.4Pa；实测纤维细度8.7D；实测阻燃性能结果为：离火自熄，满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
对比例2-1
本对比例实施过程中，A组分中不添加具有储电作用的功能介质，其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例2相同。克重为110g/㎡规格，实测的过滤效率为2.82％，过滤阻力为2.3Pa；实测纤维细度9.1D；实测阻燃性能结果为：离火自熄，满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
对比例2-2
本对比例实施过程中，B组分中不添加具有阻燃功能的介质，其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例2相同。克重为110g/㎡规格，实测的过滤效率为52％，过滤阻力为2.3Pa；实测纤维细度8.7D；实测阻燃性能结果为：离火仍燃，不满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
对比例2-3
本对比例实施过程中，A组分中不添加具有储电作用的功能介质，B组分中不添加具有阻燃功能的介质；其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例2相同。克重为110g/㎡规格，实测的过滤效率为3.12％，过滤阻力为2.3Pa；实测纤维细度9.5D；实测阻燃性能结果为：离火仍燃，不满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
实施例3
A组分中聚烯烃为PE母粒，同时在A组分中混入占A组分总质量为6.5wt％的PE无卤素阻燃母粒熔点120～132℃；B组分中聚烯烃为PP母粒，同时在B组分的PP母粒中混入占B组分总质量为1.2wt％的具有储电作用的介质，熔点162～165℃。
本实施例中具有储电作用的功能介质包括如下原料组分及重量份：
所述具有储电作用的功能介质为将各原料组分共混造粒后获得。
所述聚烯烃切片为聚丙烯。
聚烯烃切片的熔融指数为15g/10min。
所述受阻胺光稳定剂的受阻胺光稳定剂944。
A组分和B组分的质量比为40％：60％。生产制造工艺中A组分计量泵转速12rpm，B组分计量泵转速18rpm，成网速度13.5m/min，圆网热风温度131.5℃。其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例1相同。110克重的该规格产品，采用TSI8130A滤料综合性能测试平台测试所得的静电骨架过滤材料，测试条件：流速32L/min，氯化钠气溶胶中值直径0.3微米，过滤效率50％，过滤阻力2.5Pa；实测纤维细度7.9D。
对比例3-1
本对比例实施过程中，A组分不添加具有阻燃功能的介质，其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例3相同。克重为110g/㎡规格，实测的过滤效率为51％，过滤阻力为2.5Pa；实测纤维细度8.1D；实测阻燃性能结果为：离火仍然，不满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
对比例3-2
本对比例实施过程中，B组分中不添加具有储电作用的功能介质，其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例3相同。克重为110g/㎡规格，实测的过滤效率为3.42％，过滤阻力为2.3Pa；实测纤维细度8.4D；实测阻燃性能结果为：离火自熄，满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
对比例3-3
本对比例实施过程中，A组分中不添加具有阻燃功能的介质，且B组分不添加具有储电作用的功能介质。其他各制造要素，如原料规格型号、配方、生产制造工艺以及产品的测试条件均与实施例3相同。克重为110g/㎡规格，实测的过滤效率为4.02％，过滤阻力为2.4Pa；实测纤维细度7.5D；实测阻燃性能结果为：离火仍燃，不满足美国汽车内饰材阻燃标准FMVSS302和中国GB8410标准。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
