基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料的制作方法

1.本发明涉及一种空气过滤材料。


背景技术：

2.现有的空气滤网一般通过三种方式提升过滤效率：第一，使用静电过滤材料，利用电势差吸引空气中带电荷的非有机气溶胶；第二，使用高密度过滤材料，增加通过的空气分子与材料分子碰撞的概率；第三，将过滤材料来回折叠成“w”形，增大空气与材料的接触面积，从而增加空气分子与材料分子碰撞的概率。
3.但是这些滤网主要存在三个问题，这些问题导致他们无法有效去除所有的颗粒物，特别是与病毒相关的小粒径有机气溶胶。第一，城市大气中的气溶胶主要是无机物与有机物的混合态，且纯有机气溶胶的比例正在上升。这些气溶胶通常不带电荷，甚至没有极性，因此不易被静电场吸引。即便这些气溶胶分子与静电过滤材料分子随机碰撞，他们也很难被过滤材料吸附。第二，通过这些滤网的空气气流很小，导致空气的过滤速率很低。在一些情况下，空气的过滤速率甚至比室外空气的流入速率还低，导致滤网对室内空气质量并没有实质的改善。第三，将过滤材料折叠会导致材料两侧气压差增大。这会导致空气中的涡旋增加，使得很大一部分空气没有垂直穿过材料，而是平行于材料运动。


技术实现要素：

4.为了克服现有空气过滤材料难以吸附有机气溶胶、气流通过速率低、以及两侧气压差过大产生湍流等缺陷，本发明提供一种基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料，将具有不同化学、电磁学和空气动力学性质的材料组合，能够去除空气中99％以上的直径为0.3-10微米的有机和无机气溶胶。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料，包括上、中、下三层。
6.上层(即与空气相互作用的第一层，见图1)是无纺织熔喷静电层，克重为60g/m2，厚度为1-1.5mm，孔径大小为4μm。该层两侧具有18pa的压力差，以及0.85的颗粒过滤效率(使用0.3um海盐气溶胶测得)。该层通过直接与空气分子碰撞来去除有机和无机气溶胶，同时材料分子间又有足够大的间隙，使气流速度无显著减小，保持气流的层流性质。该层的静电性质还能让未与材料分子碰撞的非有机气溶胶转向，这些转向的非有机气溶胶又会与有机气溶胶碰撞传递动量，导致部分有机气溶胶也会转向。这样增加了无机和有机气溶胶通过材料的路径长度，使它们更可能与材料分子碰撞。
7.中层(即与空气相互作用的第二层，见图1)是无纺织有机碳层，克重为100g/m2，厚度为1-1.5mm。该层不仅能通过直接与空气分子碰撞去除有机和无机气溶胶，还能溶解有机气溶胶(包括黑炭和油炭)，防止有机气溶胶二次扩散。同时，材料分子间有足够大的间隙，防止两侧气压差过大产生湍流。此外，该层的有机碳还能传导无机气溶胶通过第一层和第三层时所产生的少量电，使无机气溶胶具有更大的静电吸引力。因此，该层的有机碳在吸收
溶解有机气溶胶的同时，增加了无机气溶胶的通过材料的路径长度，使有机和无机气溶胶都能被充分过滤。
8.下层(即与空气相互作用的第三层，见图1)是无纺织静电层，克重为60g/m2，厚度为1-1.5mm，孔径大小为3μm。实验测得该层两侧具有10pa的压力差，以及0.90的颗粒过滤效率(使用0.3um海盐气溶胶测得)。该层通过直接与空气分子碰撞来去除有机和无机气溶胶，同时材料分子间又有足够大的间隙，使气流速度无显著减小，保持气流的层流性质。该层同时通过静电效应增加了非有机气溶胶通过材料的路径长度，并为中层(有机碳层)提供了额外的电荷进行传导。
9.用超声波将这三层粘合后的复合材料，厚度为3-4mm，克重为220g/m2，两侧静压力差为13-14pa。实验测得复合材料对0.3-10.0um的海盐气溶胶有0.99以上的颗粒过滤效率。由于这三层材料的物理和化学性质彼此不同，通过的颗粒很大概率至少与其中一层相互作用。同时这种三层复合结构两侧的气压差不大，不会产生湍流。这一点很重要，因为材料表面的湍流会减缓空气通过材料的速度，并增加与滤网平行的速度分量，最终减少通过材料的空气总流量。
10.本发明的有益效果是，通过将三层物理和化学性质不同的过滤材料复合，实现了对有机和无机气溶胶，特别是与病毒有关的小粒径有机气溶胶的有效过滤。本发明同时对复合材料进行了空气动力学优化，使通过的气流保持层流性质，进一步提高颗粒过滤效率。
附图说明
11.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
12.图1为本发明示意图；
13.图中1是上层(即与空气作用的第一层)，2是中层(即与空气作用的第二层)，3是下层(即与空气作用的第三层)。
具体实施方式
14.【实施例1】
15.基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料包括上层1、中层2，下层3。空气从上层1流入，经过中层2，最后从下层3流出。上层1是无纺织熔喷静电层，克重为60g/m2，孔径大小为4μm。中层2是无纺织有机碳层，克重为100g/m2。下层3(是无纺织静电层，克重为60g/m2，孔径大小为3μm。每层材料的厚度为1-1.5mm，复合材料总厚度为3-4mm。


技术特征：
1.一种基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料，包括上层(1)、中层(2)，下层(3)。2.根据权利要求1所述的基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料，其特征在于，上层(1)是无纺织熔喷静电层，克重为60g/m2，厚度为1-1.5mm，孔径大小为4μm。3.根据权利要求1所述的基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料，其特征在于，中层(2)是无纺织有机碳层，克重为100g/m2，厚度为1-1.5mm。4.根据权利要求1所述的基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料，其特征在于，下层(3)是无纺织静电层，克重为60g/m2，厚度为1-1.5mm，孔径大小为3μm。5.根据权利要求1、2、3、4所述的基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料，其特征在于，上层(1)，中层(2)，下层(3)按照上层-中层-下层的顺序使用超声波粘合。6.根据权利要求1、2、3、4、5所述的基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料，其特征在于，空气从上层(1)流入，经过中层(2)，从下层(3)流出。

技术总结
本发明公开了一种基于空气动力学优化的三层复合有机过滤材料，上层是克重为60g/m2、厚度为1-1.5mm，孔径大小为4μm的无纺织熔喷静电层，中层是克重为100g/m2、厚度为1-1.5mm的无纺织有机碳层，下层是克重为60g/m2、厚度为1-1.5mm，孔径大小为3μm的无纺织静电层。本发明将上、中、下层使用超声波粘合形成三层复合有机过滤材料，实现了对有机和无机气溶胶，特别是与病毒有关的小粒径有机气溶胶的有效过滤。同时，本发明对复合材料进行了空气动力学优化，防止其两侧气压差过大，使通过的气流保持层流性质，进一步提高颗粒过滤效率。进一步提高颗粒过滤效率。进一步提高颗粒过滤效率。


技术研发人员：科恩
受保护的技术使用者：科恩
技术研发日：2020.09.18
技术公布日：2022/3/21