一种生物基活性碳纤维过滤复合芯材及制备方法与应用与流程

1.本发明涉及一种生物基活性碳纤维过滤复合芯材及制备方法与应用。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.随着新型冠状病毒感染的肺炎疫情不断蔓延，对于各种过滤材料和口罩等防护装备的需求量激增。有条件的国家纷纷转产医用防护和过滤材料，特别像口罩这种典型的个人防护过滤产品，短时间的需求量不断提高，而对于口罩用过滤材料的质量稳定和功能化的水平也不断提出了十分苛刻的要求。传统的一次性医用过滤材料是由聚丙烯纤维的纺粘无纺布和熔喷无纺布组合叠层制备的，利用超细纤维之间随机性搭接形成的微观孔隙结构对粉尘和病菌以及其他有害物质的颗粒进行过滤和阻挡。但是发明人经过研究发现，这种传统的超细纤维的叠层组合过滤材料，由于纤维自身的柔韧性和强度以及吸附特性的瓶颈问题，也存在过滤效率和病毒阻隔效率以及功能性的诸多问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种生物基活性碳纤维过滤复合芯材及制备方法与应用，不仅能够提高过滤织物材料和产品的使用耐久度，而且使得复合芯材兼备过滤和抑菌双重功能。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
6.一方面，一种生物基活性碳纤维过滤复合芯材的制备方法，包括以下步骤：
7.将混杂纤维进行活化处理获得混杂活性炭纤维，将生物基活性炭纤维与混杂活性炭纤维进行混杂织物梳网处理制备生物基活性碳纤维过滤层前体，将生物基活性碳纤维过滤层前体在真空条件下加热脱气处理，然后将脱气处理的生物基活性碳纤维过滤层前体浸渍在纳米二氧化钛水溶液或纳米银水溶液中，浸渍后烘干获得生物基活性碳纤维过滤层，将生物基活性碳纤维过滤层与熔喷无纺布过滤层进行复合；
8.其中，所述混杂纤维为t300碳纤维、t700碳纤维、t800碳纤维、t1000碳纤维、黏胶基碳纤维中的一种或多种，生物基活性炭纤维与混杂活性炭纤维的质量比为2～8:1。
9.活性碳纤维是一种具有超强纳米级孔隙结构的超细纤维，其比表面积大、吸附选择性和吸附特性强、此外，由于活性碳纤维属于无机纤维范畴，制备它的碳纤维自身的力学特性均由于传统的丙纶和涤纶纤维，因此将其与传统过滤纤维材料进行匹配使用，可以提高过滤织物材料和产品的使用耐久度。然而，经过研究发现，活性碳纤维制备的织物层的过滤性能较差，且没有抑菌性能。
10.本发明采用生物基活性碳纤维与其他活性碳纤维在特定比例下进行混杂制备成织物，然后浸渍纳米二氧化钛水溶液或纳米银使得制备的生物基活性碳纤维过滤层同时具
备较高的吸附性能、过滤性能及抑菌性能，再通过与熔喷无纺布过滤层的复合，能够使获得的过滤复合芯材不仅具有高强度、耐久度长，而且具备较高的吸附性能、过滤性能和优异的抑菌功能。
11.另一方面，一种生物基活性碳纤维过滤复合芯材，由上述制备方法获得。
12.第三方面，一种上述生物基活性碳纤维过滤复合芯材在防护用品中的应用。
13.本发明的有益效果为：
14.本发明通过对活性碳纤维的选择，同时对活性碳纤维过滤层的浸渍处理，使得生物基活性碳纤维过滤层具备较高的吸附性能、过滤性能和优异的抑菌功能。而且利于该生物基活性碳纤维过滤层与熔喷无纺布过滤层，不仅使获得的过滤复合芯材具有较高的过滤效果，而且能够提高过滤织物材料和产品的使用耐久度。
附图说明
15.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
16.图1为本发明实施例1制备的生物基活性碳纤维复合过滤材料的结构示意图；
17.其中，1、第一纺粘无纺布层，2、生物基活性碳纤维过滤层，3、熔喷无纺布过滤层，4、第二纺粘无纺布层。
具体实施方式
18.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
19.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
20.鉴于现有过滤材料存在强度低、吸附性能差、过滤效率低、抑菌效果差等问题，本发明提出了一种生物基活性碳纤维过滤复合芯材及制备方法与应用。
21.本发明的一种典型实施方式，提供了一种生物基活性碳纤维过滤复合芯材的制备方法，包括以下步骤：
22.将混杂纤维进行活化处理获得混杂活性炭纤维，将生物基活性炭纤维与混杂活性炭纤维进行混杂织物梳网处理制备生物基活性碳纤维过滤层前体，将生物基活性碳纤维过滤层前体在真空条件下加热脱气处理，然后将脱气处理的生物基活性碳纤维过滤层前体浸渍在纳米二氧化钛水溶液或纳米银水溶液中，浸渍后烘干获得生物基活性碳纤维过滤层，将生物基活性碳纤维过滤层与熔喷无纺布过滤层进行复合；
23.其中，所述混杂纤维为t300碳纤维、t700碳纤维、t800碳纤维、t1000碳纤维、黏胶基碳纤维中的一种或多种，生物基活性炭纤维与混杂活性炭纤维的质量比为2～8:1。
24.本发明采用生物基活性碳纤维与其他活性碳纤维在特定比例下进行混杂制备成织物，然后浸渍纳米二氧化钛水溶液或纳米银使得制备的生物基活性碳纤维过滤层同时具
备较高的吸附性能、过滤性能及抑菌性能，再通过与熔喷无纺布过滤层的复合，能够使获得的过滤复合芯材不仅具有高强度、耐久度长，而且具备较高的吸附性能、过滤性能和优异的抑菌功能。
25.该实施方式的一些实施例中，所述生物基活性炭纤维的单丝表面平均孔径为1～2nm。
26.该实施方式的一些实施例中，混杂活性炭纤维的单丝表面平均孔径为1～4nm。
27.该实施方式的一些实施例中，脱气处理的温度为120～140℃，时间为1～3h。
28.该实施方式的一些实施例中，纳米二氧化钛水溶液或纳米银水溶液的浓度为1～2.5％。本发明中“％”为质量百分号。
29.该实施方式的一些实施例中，烘干的条件为60～80℃，时间为2～6h。
30.本发明所述的熔喷无纺布过滤层可选用涤纶、丙纶、锦纶、氨纶、腈纶纤维中的任意一种或者多种类型纤维组合混杂为原料，也可采用以上纤维为主体纤维，以聚苯硫醚、聚醚醚酮、对苯二甲酸乙二醇酯、对苯二甲酸丁二醇酯等热塑性树脂制备的纤维中的任意一种为混杂纤维进行织物过滤层制备，其中纤维原料的混杂类型和比例根据使用要求灵活调整。
31.该实施方式的一些实施例中，所述熔喷无纺布过滤层为网状层叠结构。
32.在一种或多种实施例中，所述网状层叠结构的密度为0.03～0.09g/cm3，单层网状结构的厚度为0.1～0.6mm。
33.该实施方式的一些实施例中，熔喷无纺布过滤层的单丝纤维比表面积为0.04～0.1m2/g。
34.该实施方式的一些实施例中，熔喷无纺布过滤层的克重为15～30g/m2。用于制备防护用品(例如口罩)的熔喷无纺布过滤层的单片克重为0.2～0.6g。
35.该实施方式的一些实施例中，所述复合的方法为热压贴合。
36.在一种或多种实施例中，热压贴合的条件为：温度130～160℃，压力为70～100kg/cm2。采用该条件的能够将生物基活性碳纤维过滤层与熔喷无纺布过滤层复合成为一个整体，也可以将生物基活性碳纤维过滤层、熔喷无纺布过滤层与纺粘无纺布层复合成为一个整体。
37.该实施方式的一些实施例中，将第一纺粘无纺布层、生物基活性碳纤维过滤层与熔喷无纺布过滤层按顺序叠放并进行复合。
38.该实施方式的一些实施例中，将生物基活性碳纤维过滤层、熔喷无纺布过滤层与第二纺粘无纺布层按顺序叠放并进行复合。
39.该实施方式的一些实施例中，将第一纺粘无纺布层、生物基活性碳纤维过滤层、熔喷无纺布过滤层与第二纺粘无纺布层按顺序叠放并进行复合。
40.纺粘无纺布层可采用涤纶、丙纶、锦纶、氨纶、腈纶纤维中的任意一种或者多种纤维进行组合混杂为原料，纺粘无纺布防护层的克重控制在20-40g/m2，单片克重控制在0.2-0.8克范围内，其中纤维原料的混杂类型和比例根据使用要求灵活调整。
41.本发明的另一种实施方式，提供了一种生物基活性碳纤维过滤复合芯材，由上述制备方法获得。
42.本发明的第三种实施方式，提供了一种上述生物基活性碳纤维过滤复合芯材在防
护用品中的应用。
43.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
44.实施例1
45.一种生物基活性碳纤维过滤复合叠层材料，如图1所示，由第一纺粘无纺布层1、生物基活性碳纤维过滤层2、熔喷无纺布过滤层3、第二纺粘无纺布层4四个部分组成。其中，第一纺粘无纺布层1与第二纺粘无纺布层4的材质相同，纺粘无纺布层采用涤纶制备，单层克重20g/m2、单片克重0.2克，在纺粘无纺布层表面贴覆生物基活性碳纤维过滤层，该层采用混杂比例为2:1的生物(莱赛尔纤维)基活性碳纤维和t300混杂构成，其中莱赛尔纤维和混杂纤维的单丝平均孔径在2.0nm，混杂纤维的单丝表面平均孔径在1.0nm。该生物基活性碳纤维过滤层其过滤层织物形成之后首先将活性碳纤维进行真空在130℃脱气处理1小时，之后采用纳米二氧化钛的1.0％浓度的水溶液进行浸渍，在65℃干燥2小时完成抑菌化处理。在生物基活性碳纤维过滤层表面贴覆腈纶原料混杂聚苯硫醚等热塑性树脂制备的纤维的织物过滤层，两种纤维的混杂比例为2:1，熔喷无纺布层的体密度为0.03g/cm3，单层网状过滤层厚度为0.1mm，该熔喷无纺布层单丝纤维比表面积为0.04m2/g。熔喷无纺布过滤层的克重为15g/m2，单片克重为0.2克。以上叠层织物过滤材料的四层结构之间采用130℃的热压温度和70kg/cm2的压力在热金属轧辊中进行热压贴合。制备出的吸附材料比表面积1500m2/g以上，过滤效率达99％，抑菌效率达99％，过滤级别不低于pm2.5技术要求，剥离强度17.5n。
46.实施例2
47.一种生物基活性碳纤维过滤复合叠层材料，由第一纺粘无纺布层、生物基活性碳纤维过滤层、熔喷无纺布过滤层、第二纺粘无纺布层四个部分组成。其中纺粘无纺布层采用丙纶制备，单层克重40g/m2、单片克重0.8克，在纺粘无纺布层表面贴覆生物基活性碳纤维过滤层，该层采用混杂比例为8:1的生物(莱赛尔纤维)基活性碳纤维和t700混杂构成，其中莱赛尔纤维和混杂纤维的单丝平均孔径在2.0nm，混杂纤维的单丝表面平均孔径在4.0nm。该生物基活性碳纤维过滤层其过滤层织物形成之后首先将活性碳纤维进行真空在130℃脱气处理3小时，之后采用纳米银的2.5％浓度的水溶液进行浸渍，在80℃干燥6小时完成抑菌化处理。在生物基活性碳纤维过滤层表面贴覆锦纶原料混杂对苯二甲酸丁二醇酯等热塑性树脂制备的纤维的织物过滤层，两种纤维的混杂比例为3:1，熔喷无纺布层的体密度为0.09g/cm3，单层网状过滤层厚度0.6mm，该熔喷无纺布层单丝纤维比表面积为0.1m2/g。熔喷无纺布过滤层的克重为30g/m2，单片克重为0.6克。以上叠层织物过滤材料的四层结构之间采用160℃的热压温度和100kg/cm2的压力在热金属轧辊中进行热压贴合。制备出的吸附材料比表面积1500m2/g以上，过滤效率达99％，抑菌效率达99％，过滤级别不低于pm2.5技术要求，平均剥离强度17.5n。
48.实施例3
49.一种生物基活性碳纤维过滤复合叠层材料，由第一纺粘无纺布层、生物基活性碳纤维过滤层、熔喷无纺布过滤层、第二纺粘无纺布层四个部分组成。其中纺粘无纺布层采用腈纶纤维制备，单层克重35g/m2、单片克重0.7克，在纺粘无纺布层表面贴覆生物基活性碳纤维过滤层，该层采用混杂比例为6:1的生物(莱赛尔纤维)基活性碳纤维和t800混杂构成，
其中莱赛尔纤维和混杂纤维的单丝平均孔径在1.5nm，混杂纤维的单丝表面平均孔径在2.6nm。该生物基活性碳纤维过滤层其过滤层织物形成之后首先将活性碳纤维进行真空在130℃脱气处理1.5小时，之后采用纳米二氧化钛的1.8％浓度的水溶液进行浸渍，在65℃干燥3.6小时完成抑菌化处理。在生物基活性碳纤维过滤层表面贴覆氨纶原料混杂聚醚醚酮热塑性树脂制备的纤维的织物过滤层，两种纤维的混杂比例为2:1，熔喷无纺布层的体密度为0.035g/cm3，单层网状过滤层厚度为0.25mm，该熔喷无纺布层单丝纤维比表面积为0.09m2/g。熔喷无纺布过滤层的克重为22g/m2，单片克重为0.25克。以上叠层织物过滤材料的四层结构之间采用150℃的热压温度和90kg/cm2的压力在热金属轧辊中进行热压贴合。制备出的吸附材料比表面积1500m2/g以上，过滤效率达99％，抑菌效率达99％，过滤级别不低于pm2.5技术要求，剥离强度19.5n。
50.实施例4
51.一种生物基活性碳纤维过滤复合叠层材料，由第一纺粘无纺布层、生物基活性碳纤维过滤层、熔喷无纺布过滤层、第二纺粘无纺布层四个部分组成。其中纺粘无纺布层采用锦纶制备，单层克重30g/m2、单片克重0.6克，在纺粘无纺布层表面贴覆生物基活性碳纤维过滤层，该层采用混杂比例为6:1的生物(莱赛尔纤维)基活性碳纤维和t1000混杂构成，其中莱赛尔纤维和混杂纤维的单丝平均孔径在1.8nm，混杂纤维的单丝表面平均孔径在3.5nm。该生物基活性碳纤维过滤层其过滤层织物形成之后首先将活性碳纤维进行真空在130℃脱气处理2.5小时，之后采用纳米银的2％浓度的水溶液进行浸渍，在80℃干燥5小时完成抑菌化处理。在生物基活性碳纤维过滤层表面贴覆涤纶原料混杂对苯二甲酸乙二醇酯等热塑性树脂制备的纤维的织物过滤层，两种纤维的混杂比例为6:1，熔喷无纺布层的体密度为0.07g/cm3，单层网状过滤层厚度为0.5mm，该熔喷无纺布层单丝纤维比表面积为0.09m2/g。熔喷无纺布过滤层的克重为26g/m2，单片克重为0.5克。以上叠层织物过滤材料的四层结构之间采用150℃的热压温度和90kg/cm2的压力在热金属轧辊中进行热压贴合。制备出的吸附材料比表面积1500m2/g以上，过滤效率达99％，抑菌效率达99％，过滤级别不低于pm2.5技术要求，剥离强度20.1n。
52.对比例1
53.该对比例与实施例1相同，不同之处在于：省略真空脱气处理及抑菌化处理，制备出的吸附材料比表面积低于1000m2/g以下，过滤效率达85％，抑菌效率达0％，过滤级别达不到pm2.5技术要求，剥离强度17.5n。
54.对比例2
55.该对比例与实施例1相同，不同之处在于：热压贴合的温度为120℃。制备出的吸附材料比表面积1500m2/g以下，过滤效率达99％，抑菌效率达99％，过滤级别达到pm2.5技术要求，剥离强度10.1n。
56.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。