一种空气过滤材料及装置的制作方法

1.本实用新型涉及空气净化领域，特别地涉及一种空气过滤材料及包含所述材料的空气过滤装置。


背景技术：

2.当今，空气问题日渐引起人们关注，虽然pm2.5已经逐渐被治理，但仍然存在，随着pm2.5被治理的同时，花粉颗粒日趋严重，对过敏性鼻炎患者的影响尤为突出，保守估计，我国大约有5亿过敏性鼻炎患者，同时，除了对颗粒物的防护外，抗菌(大肠杆菌、金色葡萄球菌、乙型溶血性链球菌、肺炎克雷伯氏菌、肺炎链球菌等)，防霉(黑曲霉、土曲霉、宛氏拟青霉、绳状青霉、出芽短梗霉、球毛壳等)，抗病毒，也同样重要。
3.对于空气净化和防护设备而言，空气过滤材料尤为关键。空气过滤材料作为核心的过滤元件，承担着颗粒阻拦和吸附的功能。现有的空气过滤材料多采用多层结构，其中过滤层大多使用500-10000nm纤维直径的适于熔喷的材料通过熔喷工艺制成，其平均有效孔径多为3～15μm，对于小颗粒粉尘主要依靠经静电驻极处理的熔喷层来实现吸附过滤，而对于诸如花粉等大颗粒以及诸如病菌病毒等微生物的吸附拦截，现有滤材所能提供的防护远远不能满足人们的要求。


技术实现要素：

4.为了弥补以上领域的不足，本实用新型的主要目的是提供一种空气过滤材料，所述空气过滤材料能够提供对花粉等大颗粒、pm2.5等微小颗粒以及有害微生物的全方位有效拦截。
5.本实用新型所提供的空气过滤材料，依次包括无纺布层、一个或多个纳米纤维层、骨架层和熔喷层，所述纳米纤维层附接在所述无纺布层上；所述骨架层附接在所述纳米纤维层上并提供支承作用；所述熔喷层附接在所述骨架层上。
6.所述一个或多个纳米纤维层具有3d网状结构，且包含抗微生物剂，是实现花粉拦截和抗菌防霉抗病毒功能的主要功能层。所述抗微生物剂选自抗菌剂、防霉剂、抗病毒剂及其任一组合。
7.在一些实施方式中，所述空气过滤材料还包含额外的抗微生物剂层，所述抗微生物剂层位于所述无纺布层的外侧、所述一个或多个纳米纤维层与所述无纺布层之间、所述一个或多个纳米纤维层与所述骨架层之间、所述骨架层与所述熔喷层之间、和/或所述熔喷层的外侧。
8.在一些实施方式中，与所述无纺布层直接相邻的纳米纤维层通过静电纺丝形成在所述无纺布层上并从所述无纺布层的表面背离所述无纺布层沿无规则路径延伸形成3d结构。在另一些实施方式中，在所述纳米纤维层与所述无纺布层之间存在额外的抗微生物剂层的情况下，所述纳米纤维层通过静电纺丝形成在所述抗微生物剂层上并从所述抗微生物剂层的表面背离所述抗微生物剂层沿无规则路径延伸形成3d结构。在一些实施方式中，所
述静电纺丝是电压为 10000伏特以上的高压静电纺丝。
9.在一些实施方式中，所述一个或多个纳米纤维层具有3d网状结构，其孔径为20nm～5μm，例如0.5～5μm、20nm-500nm、20nm～100nm或30nm-80nm。
10.在一些实施方式中，所述多个纳米纤维层具有不同的孔径。例如，与所述无纺布层相邻的纳米纤维层的孔径小于与所述骨架层相邻的纳米纤维层的孔径。
11.在一些实施方式中，单个纳米纤维层的厚度大于2μm。进一步优选的，单个纳米纤维层的厚度为2μm～100μm。更进一步优选的，单个纳米纤维层的厚度为5μm～50μm。
12.在一些实施方式中，所述抗微生物剂层的厚度为50nm～1mm，优选 500nm～100μm，更优选1μm～10μm。
13.在一些实施方式中，所述纳米纤维层的克重为0.1～50g/m2。
14.在一些实施方式中，所述熔喷层为500～10000nm纤维直径的材料，其平均有效孔径多为3～15μm。
15.本实用新型还提供了一种空气过滤装置，其包括上述空气过滤材料。
16.本实用新型提供的过滤材料具有以下优点：
17.(1)该过滤材料包括无纺布层、纳米纤维层、骨架层和熔喷层，增加的熔喷层可以大大提高材料整体的容尘量。
18.(2)纳米纤维层具有3d网状结构，能够拦截花粉大颗粒；同时，纳米纤维层复合/负载有抗菌、防霉、抗病毒剂，在拦截颗粒的同时，起到抗菌防霉抗病毒保护。
附图说明
19.为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
20.图1为根据本技术实施方式的空气过滤材料的示意性结构图；
21.图2为根据本技术实施方式的空气过滤材料的示意性结构图；
22.图3为根据本技术实施方式通过高压静电纺丝获取的纳米纤维示意图；
23.图4为根据本技术实施方式的空气过滤材料对颗粒物的过滤示意图。
具体实施方式
24.下面结合具体实施例对本实用新型进行进一步描述，但本实用新型的保护范围并不仅限于此。
25.参考图1，示出了根据本技术实施方式的过滤材料的示意性结构图。其中空气过滤材料100，依次包括无纺布层101、纳米纤维层102、骨架层103和熔喷层104，纳米纤维层102附接在无纺布层101上；骨架层103附接在纳米纤维层102上并支承纳米纤维层102和无纺布层101；熔喷层104附接在骨架层 103上。
26.无纺布层101由定向的或随机的聚酯材料纤维构成，一方面用作纳米纤维高压静电纺丝的基材从而供纳米纤维附着成型，另一方面可以对肉眼可见的颗粒、毛发等进行拦截以避免降低纳米纤维层102的过滤效果。
27.纳米纤维层102由纳米纤维构成，其通过电压为10000伏特以上的高压静电纺丝附接至无纺布层101。本实用新型的纳米纤维层通过常规静电纺丝技术形成，其具体工艺流程
可参考cn211302355u，所述专利通过引用全文并入本技术。根据不同要求可制定不同厚度和孔径，示例性的纳米纤维层102的厚度大于2μm，孔径3
±
2μm，克重为20～25g/m2。纳米纤维层的材质选自聚四氟乙烯、pla(聚乳酸、聚丙交酯)、聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、pcl(聚己内酯)、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚酯、聚氧化乙烯、壳聚糖、胶原蛋白、丝素蛋白、pga(聚乙醇酸、聚乙交酯)、ptmc(聚三亚甲基碳酸酯)、pddo(聚对二氧环己酮)、plga(聚乳酸-乙醇酸共聚物)、pei(聚乙烯亚胺)中的至少一种，优选聚乙烯醇。
28.纳米纤维层102从无纺布层101的表面背离所述无纺布层沿无规则路径延伸形成3d结构。在一些实施方式中，所述纳米纤维层的孔径为0.5～5μm，用于拦截花粉等大颗粒。在一些实施方式中，所述纳米纤维层的孔径为20nm～ 500nm，用于拦截pm0.3以下的微小颗粒。在一些实施方式中，所述纳米纤维层的孔径为20nm～100nm，用于拦截细菌颗粒。在一些实施方式中，所述纳米纤维层的孔径为30nm～80nm，用于拦截病毒颗粒。
29.骨架层103由聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)材料形成并且也具有无纺结构。其与纳米纤维层102通过选自以下的方式复合并支承纳米纤维层102和无纺布层101：粘合剂附接(例如喷胶)或超声焊接。
30.熔喷层104为聚丙烯熔喷无纺布织物，其与骨架层103通过喷胶方式彼此附接。熔喷层104为500～10000nm纤维直径的材料，其平均有效孔径多为 3-15μm。
31.当在本文中使用时，术语“附接”包括直接附接和间接附接。例如参考图2，其中示出了根据本技术的另一种实施方式，纳米纤维层102通过抗微生物剂层105与无纺布层101间接附接。在这种实施方式中，所述空气过滤材料100 依次包括无纺布层101、抗微生物剂层105、纳米纤维层102、骨架层103和熔喷层104。在其他实施方式中，所述抗微生物剂层105位于纳米纤维层102与骨架层103之间，因此，纳米纤维层102通过抗微生物剂层105与骨架层103 间接附接。在优选实施方式中，所述纳米纤维层的两侧都包含抗微生物剂层105。在更优选的实施方式中，所述空气过滤材料的外侧及其各个功能层之间均包含抗微生物剂层。
32.所述抗微生物剂选自抗菌剂、防霉剂、抗病毒剂及其任一组合。所述抗菌剂是指抑制、阻止细菌生长、或者杀死细菌的化合物，例如抗大肠杆菌、金色葡萄球菌、乙型溶血性链球菌、肺炎克雷伯氏菌、肺炎链球菌等的抗菌剂；所述防霉剂是指抑制、阻止霉菌生长、或者杀死霉菌的化合物，例如防黑曲霉、土曲霉、宛氏拟青霉、绳状青霉、出芽短梗霉、球毛壳等的防霉剂；所述抗病毒剂是指可以使病毒失去活性的化合物。示例性的抗微生物剂包括mp-ch3抗菌防霉抗病毒剂、triclosan
tm
、络合mn离子、络合cu离子、儿茶素、壳聚糖、金属苯二甲蓝及其衍生物等。
33.可以通过以下方法制备所述抗微生物剂层105：
34.1)将一定量(例如质量百分比0.05％～10％)的抗微生物剂与溶剂混合，得到的混合液置于超声波氛围中处理，得到含有抗微生物剂的分散液；所述溶剂选自水、丙酮、卤代甲烷、卤代乙酸、甲酸、乙酸、n,n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜及其任一组合；
35.2)将所述分散液通过选自喷涂、淋涂、辊涂、浸涂、除湿及其任一组合的方式施加在无纺布层101、骨架层103、和/或熔喷层104的单面或双面上；所述施加可以重复一次或多次。
36.在需要的情况下，可以向所述分散液中加入适当的增稠剂，以便获得目标厚度的
抗微生物剂层。
37.应当理解的是，虽然图1和图2均只示出一个纳米纤维层，但是本实用新型的空气过滤材料100中可以含有多个纳米纤维层102。多个纳米纤维层有助于实现梯度过滤，并提高材料的稳定性和可靠性。所述多个纳米纤维层根据需要可以具有不同的孔径，但在某些实施方式中，所述多个纳米纤维层也可以具有相同的孔径。不同纳米纤维层之间通过热压、超声复合或者交联的方式彼此附接。
38.在本实用新型的优选实施方式中，纳米纤维层102包含抗微生物剂。术语“包含”意味着所述抗微生物剂复合在所述纳米纤维层的纤维中，和/或负载在所述纳米纤维层上。
39.可以通过以下方法制备包含抗微生物剂的纳米纤维膜：
40.1)将一定量(例如质量百分比0.05％～10％)的抗微生物剂与溶剂混合，得到的混合液置于超声波氛围中处理，得到含有抗微生物剂的分散液；所述超声波是采用由氮气、空气、氧气、氩气、氦气中的至少一种气体产生的超声波，超声波氛围处理的时间大于10s，例如20s～100s；
41.2)将含有抗微生物剂的分散液与静电纺丝的聚合物混合搅拌，得到聚合物纺丝液；
42.3)将聚合物纺丝液进行静电纺丝，得到复合有抗微生物剂的纳米纤维膜；
43.4)将复合纳米纤维膜置于超声波中处理，再涂覆步骤1)所得含有抗微生物剂的分散液，得到负载有抗微生物剂的复合纳米纤维膜。
44.如上所述，由于本技术提供的空气过滤材料100采用高压静电纺丝工艺，因此，该制备工艺只需要在常温下进行，即使抗菌(大肠杆菌、金色葡萄球菌、乙型溶血性链球菌、肺炎克雷伯氏菌、肺炎链球菌等)剂具有高温失效的特性，也可复合在所述纳米纤维层102中。
45.在上述步骤1)中，抗微生物剂与溶剂的用量比为(1～10)g：1l。所述溶剂选自水、丙酮、卤代甲烷、卤代乙酸、甲酸、乙酸、n,n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜及其任一组合；优选水、丙酮、二氯甲烷、三氟乙酸、甲酸、 n,n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜及其任一组合；更优选水、甲酸、 n,n-二甲基甲酰胺及其任一组合。
46.在上述步骤2)中，含有抗微生物剂的分散液与可静电纺丝的聚合物的质量比为1：(10～100)。所述可静电纺丝的聚合物选自四氟乙烯、pla(聚乳酸、聚丙交酯)、聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、pcl(聚己内酯)、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚酯、聚氧化乙烯、壳聚糖、胶原蛋白、丝素蛋白、pga(聚乙醇酸、聚乙交酯)、ptmc(聚三亚甲基碳酸酯)、pddo(聚对二氧环己酮)、plga(聚乳酸-乙醇酸共聚物)、pei(聚乙烯亚胺)及其任一组合；优选四氟乙烯、pla(聚乳酸、聚丙交酯)、聚乙烯醇缩丁醛、聚氨酯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、pcl(聚己内酯)、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚酯、壳聚糖、胶原蛋白、丝素蛋白、pga(聚乙醇酸、聚乙交酯)、pddo(聚对二氧环己酮)、plga(聚乳酸-乙醇酸共聚物)、pei(聚乙烯亚胺)及其任一组合；更优选聚酰胺、聚乙烯醇、plga(聚乳酸-乙醇酸共聚物)、丝素蛋白及其任一组合。
47.在上述步骤4)中，涂覆的方法为喷涂、淋涂、辊涂、浸涂中的任意一种或多种；进一步优选的，所述涂覆的方法为喷涂；再进一步的，所述喷涂的时间为1s～10s。
48.图3示出了根据本技术实施方式通过高压静电纺丝获取的纳米纤维的示意图。通过高压静电纺丝技术形成的纳米纤维在空间上沿各个方向延伸从而形成 3d结构。如果将
该3d结构投影到无纺布层101上，则可形成随机网格图案。本实用新型所采用的术语“随机网格图案”表示具有不规则的形状和排布规律的、具有孔隙(或，开口)的图案。这些随机网格图案的孔隙的平均直径为20nm～5μm。
49.图4示出了根据本技术实施方式的空气过滤材料对颗粒物的过滤示意图。如图4所示，空气夹杂着颗粒物301在如图所示的气流方向上传播。仅小于纳米纤维层102的孔隙302的颗粒物301在经过空气过滤材料100时能透过孔隙 302，而其余的颗粒物则被拦截/吸附。
50.本实用新型还提供了一种包括本实用新型的空气过滤材料的空气过滤装置，例如滤芯、口罩、防护面罩和空气净化器等。所述空气过滤装置的整体结构可采用现有技术中的常规配置。
51.具体而言，所述滤芯包含所述空气过滤材料和固定框，以及任选的，其他一种或多种常规滤料，如金属丝网、玻璃丝、尼龙网、聚乙烯泡沫塑料、合成纤维毡、玻璃纤维、活性炭滤网等。所述口罩或防护面罩包括口罩/防护面罩主体、设置在所述主体上的所述空气过滤材料、以及设置在所述主体两侧的紧固带。所述空气净化器包括外壳、入风口、设置在外壳内的空气过滤材料固定部、所述空气过滤材料、风机、出风口等。
52.上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种空气过滤材料，依次包括无纺布层、一个或多个纳米纤维层、骨架层和熔喷层，所述一个或多个纳米纤维层附接在所述无纺布层上；所述骨架层附接在所述一个或多个纳米纤维层上并提供支承作用；所述熔喷层附接在所述骨架层上。2.根据权利要求1所述的空气过滤材料，其特征在于：所述一个或多个纳米纤维层包含抗微生物剂，所述抗微生物剂选自抗菌剂、防霉剂、抗病毒剂及其任一组合。3.根据权利要求1所述的空气过滤材料，其特征在于：所述空气过滤材料还包含额外的抗微生物剂层，所述抗微生物剂层位于所述无纺布层的外侧、所述一个或多个纳米纤维层与所述无纺布层之间、所述一个或多个纳米纤维层与所述骨架层之间、所述骨架层与所述熔喷层之间、和/或所述熔喷层的外侧，所述抗微生物剂选自抗菌剂、防霉剂、抗病毒剂及其任一组合。4.根据权利要求1至3任一项所述的空气过滤材料，其特征在于：所述一个或多个纳米纤维层具有3d网状结构，其孔径为20nm～5μm。5.根据权利要求4所述的空气过滤材料，其特征在于：所述多个纳米纤维层具有不同的孔径。6.根据权利要求1至3任一项所述的空气过滤材料，其特征在于：所述一个或多个纳米纤维层中单个层的厚度为2μm～100μm。7.根据权利要求3所述的空气过滤材料，其特征在于：所述抗微生物剂层的厚度为50nm～1mm。8.根据权利要求1至3任一项所述的空气过滤材料，其特征在于：与所述无纺布层直接相邻的纳米纤维层通过静电纺丝形成在所述无纺布层上并从所述无纺布层的表面背离所述无纺布层沿无规则路径延伸形成3d结构，或者在所述纳米纤维层与所述无纺布层之间存在额外的抗微生物剂层的情况下，所述纳米纤维层通过静电纺丝形成在所述抗微生物剂层上并从所述抗微生物剂层的表面背离所述抗微生物剂层沿无规则路径延伸形成3d结构。9.根据权利要求1至3任一项所述的空气过滤材料，其特征在于：所述熔喷层的孔径为3～15μm。10.一种空气过滤装置，其包括权利要求1～9中任一项所述的空气过滤材料。

技术总结
本实用新型公开了一种空气过滤材料及装置。本实用新型所提供的空气过滤材料，依次包括无纺布层、一个或多个纳米纤维层、骨架层和熔喷层，所述纳米纤维层附接在所述无纺布层上；所述骨架层附接在所述纳米纤维层上并支承所述纳米纤维层和所述无纺布层；所述熔喷层附接在所述骨架层上。纳米纤维层具有3D网状结构，用于拦截花粉大颗粒，同时所述纳米纤维层还包含抗菌、防霉、抗病毒剂，在拦截颗粒的同时，起到抗菌、防霉、抗病毒保护。抗病毒保护。抗病毒保护。


技术研发人员：郑若楠 苏峻 朱丽
受保护的技术使用者：烟台鼎钧新材料科技有限公司
技术研发日：2021.08.17
技术公布日：2022/3/8