CN111467875A - 纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于过滤领域，具体涉及一种纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料及其制备方法和应用。包括下述步骤：(1)将可原纤化的植物纤维经疏解机疏解在水中分散后得到浆料；(2)通过物理或化学法处理得到纳米纤维素，通过洗涤，超声得到纳米纤维素溶液；(3)将玻璃纤维原料加水及分散剂均匀分散得到浆料，依次经除渣、稀释、成型、脱水后形成厚度均匀的湿纸页；(4)通过涂布方式将纳米纤维素溶液涂覆在玻璃纤维纸表面，形成纳米纤维涂层；(5)干燥成型。本发明通过将植物纤维制成的纳米纤维素溶液，以涂布的方式与玻璃纤维基材复合，得到的过滤材料具有高精度，高透气度，低阻力，高寿命等优点，特别适用于空气、水等过滤领域。

Description

纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于过滤领域，具体涉及一种纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料及其 制备方法和应用。

背景技术

传统玻璃纤维过滤材料虽然能实现对污染颗粒物的有效过滤，但想达到较高 的过滤效率通常需要牺牲透气率，从而带来较大的压降。因此，仅靠玻璃纤维本 身的结构特点很难实现过滤效率和压阻的有效平衡。

近年来，越来越多的研究偏向于制备纳米纤维和玻璃纤维的复合过滤材料， 这样一方面可以使得滤材具有超高的过滤精度，另一方面能够保留玻璃纤维深层 过滤的特点。现有的制备纳米纤维和玻璃纤维的复合过滤材料的方法主要有以下 两种。

第一种为静电纺丝方法，专利CN105233568A公开了一种静电纺丝方法及 其制备的纳米纤维/玻璃纤维复合过滤材料。本方法形成玻璃纤维滤纸与具有驻 极效应纳米纤维相间排列的夹层结构，制成纳米纤维/玻璃纤维复合过滤材料。 但是该方法存在以下问题：采用的如聚丙烯腈、聚偏四氟乙烯、聚氨酯等有机高 分子聚合物，在纺丝过程中还用到大量的如四氢呋喃、N二甲基甲酰胺、N，N 二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、丙酮等有机试剂，对环境非常不友好，且静电纺丝 效率低，不适合工业化生产等。

另一种方法为混合浆料法，专利CN105937193A公开了一种纳米机空滤纸 及其制备方法，其通过将竹浆、龙须草浆、针叶木浆、芳纶纤维、碳纤维、聚芳 噁二唑纤维和玻璃纤维加水制得纤维素纳米纤维浆料，将纤维素纳米纤维浆料和 纳米纤维素晶体胶体、纤维状粘结剂、木质素、分散剂、消泡剂和防水剂再进行 打浆得到成浆，成浆制得原纸之后进行浸胶，得到纳米机空滤纸。但是上述方法 的纤维素纳米纤维的制备过程中也添加了大量的化学品，且将纤维素纳米纤维浆 料与其他物质打浆制造成浆的过程中，纤维素纳米纤维浆料存在不易分散和絮聚 等的问题，使得最终产品的性能差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料及其制备方 法和应用。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种制备纳米纤维素玻璃纤维复合过滤 材料的方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)：制备纳米纤维素溶液；

步骤(2)：制备玻璃纤维湿纸页；

步骤(3)：通过涂布方式将步骤(1)得到的纳米纤维素溶液涂覆在步骤(2) 得到的玻璃纤维湿纸页表面；

步骤(4)：干燥成型，制得纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料。

进一步的，所述步骤(1)具体包括：

步骤(1-1)：将可原纤化的植物纤维浆板在水中浸泡后，经疏解机疏解在水 中分散后得到均匀的纤维悬浮液，然后经过滤，拧干、平衡水分后备用；

步骤(1-2)：通过物理或化学法处理得到纳米纤维素，通过洗涤，定量，超 声得到纳米纤维素溶液。

进一步的，所述步骤(1-1)中可原纤化的植物纤维浆板为针叶木浆、阔叶 木浆、棉浆、麻浆、丝光化木浆、丝光化棉浆或丝光化麻浆中的一种或几种。

进一步的，所述步骤(1-1)中的浆板浸泡时间为4h以上，所述疏解机转速 1000-2000r/min，疏解时间为10-60min，得到的纤维悬浮液浓度为1％-10％，平 衡水分时间大于24h，平衡水分温度为4-25℃。

进一步的，所述化学法为TEMPO氧化法。

进一步的，所述步骤(1-2)中定量得到的纳米纤维素溶液浓度范围0.01％-3％。

优选的，纤维素浓度0.1％-1.5％；

超声波震荡功率200-10000KW，震荡时间不小于4h，直至得到澄清均匀的 溶液。

进一步的，所述步骤(2)制备玻璃纤维湿纸页具体为：

将玻璃纤维原料加水及分散剂均匀分散得到浆料，依次经除渣、稀释、成型、 脱水后形成厚度均匀的湿纸页。

进一步的，所述玻璃纤维纸原料优选微纤维棉；

所述分散剂为表面活性剂、水溶性高分子化合物或酸中的一种或两种以上混 合物。

进一步的，所述表面活性剂为季铵盐或者脂肪酸盐，所述酸为硫酸、醋酸、 草酸。

进一步的，所述水溶性高分子化合物为聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺。

进一步的，所述步骤(2)中浆料浓度为0.5％-5％，稀释后浓度为0.1％-1％， 浆料pH 2-5。

进一步的，所述步骤(2)得到的玻璃纤维纸幅厚度为0.1-0.5mm；

优选的纸幅厚度为0.25-0.35mm。

进一步的，所述步骤(3)中的涂布方式为辊式涂布、刀式涂布中的一种；

所述步骤(4)中的干燥方式为滚筒干燥、红外干燥、热风干燥中的一种或 几种。

一种采用上述的方法制备的纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料，包括玻璃纤 维基材和涂覆在玻璃纤维基材表面的纳米纤维素层。

一种采用上述的方法制备的纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料的应用，用于 过滤。

进一步的，用于气体或液体过滤

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明通过将植物纤维制成的纳米纤维素溶液，以涂布的方式与玻璃 纤维基材复合，得到一种新型纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料，改材料具有 高精度，高透气度，低阻力，高寿命等优点。

(2)本发明的纳米纤维素浓度在0.1-1.5之间分散的较为均匀。玻璃纤维的 施胶剂采用的是阳离子改性剂，使得玻璃纤维表面携带正电荷。

(3)本发明通过涂布的方式复合，保证了纳米纤维素的均匀性；且制造工 艺简单，无需额外新增设备，适合规模化生产。

(4)本发明的制备过程中，未使用任何化学胶粘剂，且大大降低了有机试 剂的使用，具有环保无污染性。

(5)本发明的纳米纤维素通过TEMPO氧化法制备，TEMPO氧化的纳米纤 维素携带的大量负电荷(羧基)，与玻璃纤维表面的正电荷(氨基)通过静电结 合形成高强的层间结合力，有效的解决了纳米纤维与玻璃纤维结合强度弱的问题。

具体实施方式

下面结合对本发明作进一步详细描述。

一种新型纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料，包括玻璃纤维基材和涂覆在 玻璃纤维基材表面的纳米纤维素层。

纳米纤维/玻璃纤维复合材料作为气体过滤材料，液体过滤材料的应用。

一种新型纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料的制备方法，包括下述步骤：

(1)将可原纤化的植物纤维浆板在水中浸泡一定时间后，经疏解机疏解在 水中分散后得到均匀的纤维悬浮液，然后经过滤，拧干、平衡水分后备用。

(2)通过物理或化学法处理得到纳米纤维素，通过洗涤，定量，超声得到 纳米纤维素溶液；

(3)将玻璃纤维原料加水及分散剂均匀分散得到浆料，依次经除渣、稀释、 成型、脱水后形成厚度均匀的湿纸页。

(4)通过涂布方式将纳米纤维素溶液涂覆在玻璃纤维纸表面，形成纳米纤 维素涂层。

(5)干燥成型。

所述步骤(1)中可原纤化植物纤维浆板为针叶木浆、阔叶木浆、棉浆、麻 浆、丝光化木浆、丝光化棉浆或丝光化麻浆中的一种或几种；本发明采用植物纤 维作为原材料节约了成本。

所述步骤(1)中浆板浸泡时间为4h以上，纤维悬浮液浓度1％-10％，疏解 机转速1000-2000转/min，疏解时间10-60min，浆料平衡水分时间大于24h，平 衡水分温度4-25℃；

所述步骤(2)物理法为高剪切力机械研磨法、热压法、高速搅拌法、中的 一种，化学法为酸水解法、酶解法中的一种；

优选的采用TEMPO氧化法制备纳米纤维素，采用该方法制备纳米纤维素， 将羟基氧化为羧基，使得纳米纤维素带负电和活性官能团，将带负电和活性官能 团的纳米纤维素溶液涂覆在玻璃纤维基体上时，其与玻璃纤维发生氢键作用，加 强了纳米纤维素和玻璃纤维的层间结合力。

所述步骤(2)制备的纳米纤维素直径为100-500nm。

所述步骤(2)中定量得到的纳米纤维素溶液浓度范围0.01％-3％，更优选的 纤维素浓度0.1％-1.5％。超声波震荡功率200-10000KW，震荡时间不小于4h， 直至得到澄清均匀的溶液；

所述步骤(3)玻璃纤维纸原料优选微纤维棉，玻璃纤维直径在0.8-1.5μm；

所述步骤(3)分散剂为表面活性剂、水溶性高分子化合物或酸中的一种或 两种以上混合物。

所述表面活性剂为季铵盐或者脂肪酸盐等；

所述酸为硫酸、醋酸、草酸等；

所述水溶性高分子化合物为聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺等；

所述步骤(3)中浆料浓度为0.5％-5％，稀释后浓度优选0.1％-1％；浆料pH 2-5；

所述步骤(3)得到的玻璃纤维纸幅厚度优选0.1-0.5mm，更优选的纸幅厚 度0.25-0.35mm；

所述步骤(4)涂布方式为辊式涂布、刀式涂布中的一种；采用上述涂布工 艺，简化了工艺，操作简单，有利于工业化生产。

所述步骤(5)的干燥方式为滚筒干燥、红外干燥、热风干燥中的一种或几 种。

上述方法制得的纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料可用于气体过滤和液体 过滤等过滤领域。

以下各实施例中：

液体过滤效率按EN 13443-2-2007《建筑物内水调节设备机械过滤器.第2部 分：颗粒额定值1μm到80μm(不含80μm).性能、安全和测试要求》的规定测定。

空气过滤效率按GB/T 19083-2010《医用防护口罩技术要求》的规定测定。

实施例1

(1)将针叶木商品浆板，浸泡在去离子水中浸泡4小时，得到浆浓1％的浆 料；然后将浸泡后的浆料放入疏解机中疏解20min，疏解机转速1000转/min， 疏解后拧干，并在4℃下平衡水分24h待用。

(2)通过化学法TEMPO氧化法制备得到纳米纤维素，然后洗涤，并通过 超声波在200KW功率下震荡，得到纳米纤维素浓度为0.1％wt的澄清透明溶液。

(3)将微纤维玻璃棉、玻璃纤维短切丝按设定比例配比后加水和硫酸，经 高频疏解机搅拌均匀得到浓度为1.5wt％、pH为3.2的浆料；所得浆料经过除渣 后稀释为浓度0.45wt％的纸浆悬浮液，经长网机成型、脱水后形成湿纸页，干燥 形成滤纸基材，得到的玻璃纤维纸幅厚度0.25mm；

(4)将步骤(2)得到的纳米纤维素溶液，通过辊式涂布机，均匀的涂布在 步骤(3)得到的玻璃纤维滤纸基材上。

(5)通过烘缸干燥得到新型纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料。

实施例1所得纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料通过TSI8130测得， 85L/minPAO气溶胶效率95.9941％，阻力89Pa；液体5um过滤精度99.97％。

实施例2

(1)将阔叶木商品浆板，浸泡在去离子水中浸泡6小时，得到浆浓5％的浆 料；然后将浸泡后的浆料放入疏解机中疏解30min，疏解机转速2000转/min， 疏解后拧干，并在4℃下平衡水分24h待用。

(2)通过化学法酸水解法制备得到纳米纤维素，然后洗涤，并通过超声在 1000KW功率下震荡，得到纳米纤维素浓度为1.5％wt的澄清透明溶液。

(3)将微纤维玻璃棉、玻璃纤维短切丝按设定比例配比后加水和硫酸，经 高频疏解机搅拌均匀得到浓度为1.0wt％、pH为3.0的浆料；所得浆料经过除渣 后稀释为浓度0.35wt％的纸浆悬浮液，经长网机成型、脱水后形成湿纸页，干燥 形成滤纸基材,得到的玻璃纤维纸幅厚度0.33mm；

(4)将步骤(2)得到的纳米纤维素溶液，通过辊式涂布机，均匀的涂布在 步骤(3)得到的玻璃纤维滤纸基材上。

(5)通过红外干燥得到新型纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料。

本实施例所得纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料通过TSI8130测得， 85L/minPAO气溶胶效率90.1241％，阻力59Pa；液体5um过滤精度95.77％。

实施例3

(1)将棉浆商品浆板，浸泡在去离子水中浸泡4小时，得到浆浓10％的浆 料；然后将浸泡后的浆料放入疏解机中疏解60min，疏解机转速1500转/min， 疏解后拧干，并在20℃下平衡水分32h待用。

(2)通过物理法高剪切力机械研磨法制备得到纳米纤维素，然后洗涤，并 通过超声波在150KW功率下震荡，得到纳米纤维素浓度为1％wt的澄清透明溶 液。

(3)将微纤维玻璃棉、玻璃纤维短切丝按设定比例配比后加水和硫酸，经 高频疏解机搅拌均匀得到浓度为3.5wt％、pH为4的浆料；所得浆料经过除渣后 稀释为浓度0.5wt％的纸浆悬浮液，经长网机成型、脱水后形成湿纸页，干燥形 成滤纸基材，得到的玻璃纤维纸幅厚度0.4mm；

(4)将步骤(2)得到的纳米纤维素溶液，通过刀式涂布机，均匀的涂布在 步骤(3)得到的玻璃纤维滤纸基材上。

(5)通过烘缸干燥得到新型纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料。

本实施例所得纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料通过TSI8130测得， 85L/minPAO气溶胶效率95.5519％，阻力112Pa；液体5um过滤精度98.11％。

实施例4

(1)将针叶木商品浆板，浸泡在去离子水中浸泡8小时，得到浆浓1％的浆 料；然后将浸泡后的浆料放入疏解机中疏解20min,疏解机转速1000转/min,疏解 后拧干，并在25℃下平衡水分48h待用。

(2)通过化学法TEMPO氧化法制备得到纳米纤维素，然后洗涤，并通过 超声波10000KW功率下震荡，得到纳米纤维素浓度为1.5％wt的澄清透明溶液。

(3)将微纤维玻璃棉、玻璃纤维短切丝按设定比例配比后加水和硫酸，经 高频疏解机搅拌均匀得到浓度为1.8wt％、pH为2.8的浆料；所得浆料经过除渣 后稀释为浓度0.38wt％的纸浆悬浮液，经长网机成型、脱水后形成湿纸页，干燥 形成滤纸基材，得到的玻璃纤维纸幅厚度0.3mm；

(4)将步骤(2)得到的纳米纤维素溶液，通过刀式涂布机，均匀的涂布在 步骤(3)得到的玻璃纤维滤纸基材上。

(5)通过烘缸干燥得到新型纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料。

本实施例所得纳米纤维素/玻璃纤维复合过滤材料通过TSI8130测得， 85L/minPAO气溶胶效率98.9941％，阻力102Pa；液体5um过滤精度99.53％。

由实施例1-4可知，通过本发明的方法制备的纳米纤维素玻璃纤维复合过滤 材料具有阻力低、过滤精度高等性能，且本发明的制备方法避免了有机试剂的使 用，简化了工艺，有利于工业化生产。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例，并非用来限定本发 明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应 作为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种制备纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤(1)：制备纳米纤维素溶液；

步骤(2)：制备玻璃纤维湿纸页；

步骤(3)：通过涂布方式将步骤(1)得到的纳米纤维素溶液涂覆在步骤(2)得到的玻璃纤维湿纸页表面；

步骤(4)：干燥成型，制得纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

步骤(1-1)：将可原纤化的植物纤维浆板在水中浸泡后，经疏解机疏解在水中分散后得到均匀的纤维悬浮液，然后经过滤，拧干、平衡水分后备用；

步骤(1-2)：通过物理或化学法处理得到纳米纤维素，通过洗涤，定量，超声得到纳米纤维素溶液。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1-1)中可原纤化的植物纤维浆板为针叶木浆、阔叶木浆、棉浆、麻浆、丝光化木浆、丝光化棉浆或丝光化麻浆中的一种或几种；

所述步骤(1-1)中的浆板浸泡时间为4h以上，所述疏解机转速为1000-2000r/min，疏解时间为10-60min，得到的纤维悬浮液浓度为1％-10％，平衡水分时间大于24h，平衡水分温度为4-25℃。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述化学法为TEMPO氧化法。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1-2)中定量得到的纳米纤维素溶液浓度范围0.01％-3％，优选的纤维素浓度0.1％-1.5％；

所述超声的超声波震荡功率为200-10000KW，震荡时间不小于4h，直至得到澄清均匀的溶液。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)制备玻璃纤维湿纸页具体为：

将玻璃纤维原料加水及分散剂均匀分散得到浆料，依次经除渣、稀释、成型、脱水后形成湿纸页。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述玻璃纤维纸原料优选微纤维棉；

所述分散剂为表面活性剂、水溶性高分子化合物或酸中的一种或两种以上混合物；

优选的所述表面活性剂为季铵盐或者脂肪酸盐，所述酸为硫酸、醋酸、草酸，所述水溶性高分子化合物为聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺；

所述步骤(2)中浆料浓度为0.5％-5％，稀释后浓度为0.1％-1％，浆料pH 2-5；

所述步骤(2)得到的玻璃纤维纸幅厚度为0.1-0.5mm，优选的纸幅厚度为0.25-0.35mm。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的涂布方式为辊式涂布、刀式涂布中的一种；

所述步骤(4)中的干燥方式为滚筒干燥、红外干燥、热风干燥中的一种或几种。

9.一种采用权利要求1-8任一项所述的方法制备的纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料，其特征在于，包括玻璃纤维基材和涂覆在玻璃纤维基材表面的纳米纤维素层。

10.一种采用权利要求1-8任一项所述的方法制备的纳米纤维素玻璃纤维复合过滤材料的应用，其特征在于，用于过滤，优选气体或液体过滤。