CN110205749B - 一种纳米纤维复合过滤纸的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，将TPU溶解于混合溶剂配制第一和第二静电纺丝溶液；将基材置于纳米纤维复合过滤纸量产化设备上，采用高压静电纺丝的方法将第一静电纺丝溶液及第二静电纺丝溶液在基材的表面及空隙上形成纳米纤维膜层。能够连续的在基材表面形成纳米纤维层，所使用的TPU纳米纤维层对油的接触角为0°，对水的接触角为150°以上，对燃油中油水分离的效率达到99％以上。可实现对燃油中的水份先分离处理，进而再进行过滤，同时实现了对燃油的油水分离和过滤。最终分离出来的水份能及时脱离滤芯中滤材的表面下沉至集水杯中。珍珠状纳米纤维中含有未完全挥发的溶剂，确保纳米纤维层在高压燃油通过时不被冲散或者剥离。
Description
技术领域
本发明涉及燃油过滤纸生产技术领域，尤其是一种纳米纤维复合过滤纸的生产工艺。
背景技术
目前，几乎所有的卡车、装载机等工程机械均使用柴油发动机，柴油发动机使用的柴油中或多或少存在各种颗粒物、石蜡、水分等杂质，这些杂质经过柴油发动机的供油系统后，会出现堵塞喷油嘴、腐蚀气缸、增加积碳等各种弊病，尤其是随着国家大力推行排放达国五国六的发动机以及机动车，发动机的供油系统及发动机内部零部件的精密性越来越高，市场急需一款具有高效低阻、具有持续油水分离效果的燃油过滤器。
随着柴油过滤器对过滤材料的过滤精度要求越来越高，目前社会上出现了大量的普通过滤纸与PP或者PBT熔喷棉复合的燃油复合过滤纸，这些复合了熔喷纤维的过滤纸过滤精度和容尘量大大提升，也具有了一定的油水分离效果。
现有公开专利《一种高效油水分离复合纤维膜及其制备方法》(CN201410125768.1)、《一种磁响应高效油水分离纤维膜及其制备方法》(CN201410584912.8)、《高效的静电纺丝油水分离纤维膜》(CN201610040433.9)、《一种具有优异抗污能力的油水分离纤维膜及其制备方法》(CN201610580631.4)、《一种高效高通量二维网状极细纳米纤维油水分离材料及其制备方法》(CN 107557894 B)等都报道了利用静电纺丝法制备油水分离材料的方法；但是这些方法都只涉及到简单的吸油疏水等原理，并未考虑纳米纤维材料在应用于实际工况中后所需要过滤的油水混合物的复杂性以及对过滤材料和过滤结构设计的综合要求。
目前市场上主流使用的PP或者PBT燃油复合过滤介质，普遍遇到油水分离效果差，使用一段时间后散失油水分离效果的问题，有些燃油过滤器因为阻力过大，还会造成发动机经常性熄火等问题。
虽然上述公开专利发明均提到了纳米纤维膜应用于油水分离的优势，但是这些专利中所涉及的纳米纤维二维或者三维结构中，纳米纤维间相互作用力很弱，这些纳米纤维材料在高达数兆帕的燃油压力作用下，纳米纤维会滑移、分散甚至有被吸入发动机内部的风险。目前，还没有一项具体的应用于内燃机燃油过滤器的纳米纤维膜过滤材料及生产工艺的详细阐述的专利。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，能够在基材表面连续量产化的形成纳米纤维膜层形成纳米纤维复合过滤纸，使得纳米纤维复合过滤纸具有油水分离和高效低阻的效果，能够阻挡2微米以上的乳化水滴，对燃油中含有的水分能够分离99%以上。
为解决上述技术问题，本发明的目的是这样实现的：
本发明所涉及的一种纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，
配制第一静电纺丝溶液：将TPU溶解于混合溶剂；其中，TPU的质量分数为8%-20%；
配制第二静电纺丝溶液：将TPU溶解于混合溶剂；其中，TPU的质量分数为2%-8%；
所述的混合溶剂中含有第一溶剂与第二溶剂，第一溶剂和第二溶剂的质量比为3：7-10：0；
所述的第一溶剂为N、N-二甲基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺；所述的第二溶剂为丙酮或丁酮；
所述的TPU为含有硅氧烷基团支链的TPU树脂，分子量为40000~200000,硅氧烷基团分子量占比5%~50%，硅氧烷支链碳原子数为4~16；
将基材置于纳米纤维复合过滤纸量产化设备上，采用高压静电纺丝的方法将第一静电纺丝溶液及第二静电纺丝溶液在基材的表面及空隙上形成纳米纤维膜层。
作为上述方案的进一步说明，所述的量产化设备包括放卷装置、收卷装置、喷丝组件一和喷丝组件二；所述的喷丝组件一包括接收屏一，及位于接收屏一下方的喷丝头一；所述的喷丝组件二包括接收屏二，及位于接收屏二下方的喷丝头二；所述的喷丝头一与接收屏一之间、喷丝头二与接收屏二之间具有电场；所述的喷丝头一与喷丝头二用于喷丝，将所喷出的静电纺丝溶液经电场加速后在基材上形成由均匀纳米纤维和珍珠状纳米纤维组成的纳米纤维膜层；所述的基材从放卷装置引出后依次通过接收屏一的下方、接收屏二的下方，在收卷装置成卷；
作为上述方案的进一步说明，所述的喷丝头一与接收屏一之间的具有10-100KV的电压，所述的喷丝头二与接收屏二之间具有10-100KV的电压；所述的喷丝头一与接收屏一的间距为5-50mm，所述的喷丝头二与接收屏二的间距为5-50mm。
作为上述方案的进一步说明，所述的喷丝头一和喷丝头二的喷丝直径范围为5-1000纳米。
作为上述方案的进一步说明，所述基材的面密度为50-500GSM，在200Pa下透气量为100-600L/m2/s，包括，
至少由纤维素纤维、无机纤维、合成纤维中的一种所组成的纤维集合体，及涂布于纤维集合体上的施胶层。
作为上述方案的进一步说明，堆积有纳米纤维膜层的基材另一侧依次复合有熔喷棉层和普通无纺布层；所述的基材为普通过滤纸层。
作为上述方案的进一步说明，所述的熔喷棉层至少包括PBT、PET、PPS、PP、芳纶纤维中一种，熔喷棉层中纤维的平均直径为0.5-10μm，面密度为30-300GSM；所述的普通无纺布层为热粘无纺布，材质为PBT、PET、PPS或PP；普通无纺布层中纤维的平均直径为5-200μm，面密度为10-300GSM。
作为上述方案的进一步说明，堆积有纳米纤维膜层的普通过滤纸层、熔喷棉层和普通无纺布层，三层之间通过点状、线状、条状或者纤维状等各种形状的热熔胶结合，热熔胶结合点的面积占整个复合材料面积的0.01~10%。
作为上述方案的进一步说明，堆积有纳米纤维膜层的普通过滤纸层、熔喷棉层和普通无纺布层通过超声波或热压复合形成层叠结构。
本发明的有益效果是：
1、在能够连续量产化的基材表面形成纳米纤维膜层，纳米纤维材料采用改性TPU树脂经高压静电纺丝法制备而成，TPU纳米纤维网对油接触角为0°，对液态水的接触角达到150°，纳米纤维网吸油后，具有油水分离和高效低阻的效果，能够阻挡2微米以上的乳化水滴，对燃油中含有的水分能够分离99%以上。
2、纳米纤维膜层为均匀直径纳米纤维层和珍珠状纳米纤维层组合起来，珍珠状纳米纤维中含有未完全挥发的溶剂，该溶剂能够保证纳米纤维层与普通过滤纸层紧密结合起来，确保纳米纤维在高压燃油通过时不被冲散或者剥离。
3、稳定的纳米纤维膜能够持续有效的分离出燃油中的乳化水和游离水分子，并在纳米纤维膜的表面聚集成大的水滴，水滴在重力的作用下，下沉至燃油滤清器底部的集水杯中，从而达到油水分离的目的。
4、燃油中的水分首先经过分离以后，燃油中的细小颗粒物、石蜡等杂质通过纳米纤维膜后进入普通过滤纸层和熔喷超细无纺布层并被吸附住，从而实现纳米纤维复合过滤材料对燃油中杂质的高过滤效率，对于直径在4微米以下的细小颗粒物的过滤效率经测试能达到99%。
附图说明
图1是实施例一所制备的纳米纤维复合过滤纸的结构示意图；
图2是纳米纤维量产化设备示意图；
图3是实施例二所制备的纳米纤维复合过滤纸的结构示意图。
图中标记说明如下：001--放卷装置，002--收卷装置，01--喷丝组件一，011--接收屏一，012--喷丝头一，02--喷丝组件二，021--接收屏二，022--喷丝头二；430--纳米纤维复合过滤纸，431--纳米纤维膜层，432--普通过滤纸层，433--熔喷棉层，434--普通无纺布层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
实施例一
结合图1和图2，对本实施例作详细说明。本实施例所涉及的一种纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，包括配制第一静电纺丝溶液和第二静电纺丝溶液、在量产化设备上采用高压静电纺丝的方法在基本表面形成纳米纤维膜层。
配制第一静电纺丝溶液：将TPU溶解于混合溶剂；其中，TPU的质量分数为8%-20%。配制第二静电纺丝溶液：将TPU溶解于混合溶剂；其中，TPU的质量分数为2%-8%。所使用的TPU为含有硅氧烷基团支链的TPU树脂，分子量为40000~200000，硅氧烷基团分子量占比5%~50%，硅氧烷支链碳原子数为4~16。在本实施例中，第一静电纺丝溶液中，TPU的质量分数为10%。第二静电纺丝溶液中，TPU的质量分数为2%。
在本实施例中，混合溶剂中含有第一溶剂与第二溶剂，第一溶剂和第二溶剂的质量比为3：7-10：0。第一静电纺丝溶液中所使用的混合溶剂中第一溶剂和第二溶剂的比例为3：7，第二静电纺丝溶液中所使用的混合溶剂中第一溶剂和第二溶剂的比例为10：0，即全部为第一溶剂。
进一步的，所使用的第一溶剂为N、N-二甲基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺，第二溶剂为丙酮或丁酮。优选的，第一溶剂为N、N-二甲基甲酰胺，第二溶剂为丙酮。
所选用的基材为普通过滤纸层432，将基材置于纳米纤维复合过滤纸量产化设备上，采用高压静电纺丝的方法将第一静电纺丝溶液及第二静电纺丝溶液在基材的表面及空隙上形成纳米纤维膜层431。
所使用普通过滤纸层432的普通过滤纸面密度为50-500GSM，在200Pa下透气量为100-600L/m2/s，包括至少由纤维素纤维、无机纤维、合成纤维中的一种所组成的纤维集合体，及涂布于纤维集合体上的施胶层。在本实施例优选的纤维集合体所使用的材质为木浆纤维，也可以为玻璃纤维、合成纤维，或者其两种或三种的混合。合成纤维优选为PET，也可以是PP、PE、PPS或PP。无机纤维优选为玻璃纤维。在本实施例中选择为木浆纤维无纺布，克重为100GSM，透气量为100L/m2/s。
所使用的量产化设备包括放卷装置001、收卷装置002、喷丝组件一01和喷丝组件二02。喷丝组件一01包括接收屏一011，及位于接收屏一011下方的喷丝头一012，喷丝组件二02包括接收屏二21，及位于接收屏二021下方的喷丝头二022。喷丝头一012与接收屏一011之间、喷丝头二022与接收屏二021之间具有电场。喷丝头一012与喷丝头二022用于喷丝，将所喷出的静电纺丝溶液经电场加速后在基材上形成由均匀纳米纤维和珍珠状纳米纤维组成的纳米纤维膜层431。基材从放卷装置001引出后依次通过接收屏一011的下方、接收屏二021的下方，在收卷装置成卷002。
喷丝头一012与接收屏一011之间的具有10-100KV的电压，间距为5-50mm。喷丝头二022与接收屏二021之间具有10-100KV的电压，间距为5-50mm。喷丝头一012和喷丝头二022的喷丝直径范围为5-1000纳米。在本实施例中，喷丝头一012与接收屏一011之间的电压为10KV，间距为5mm，喷丝头二022与接收屏二021之间的电压为10KV，间距为5mm。
当基材从放卷装置001引出后，经过接收屏一011、接收屏二021的下方后，在收卷装置002成卷。喷丝组件一01和喷丝组件二02之间设置有一张力辊，用于调节基材的张力，使其与接收屏一011和接收屏二021相接触。由将配制好的第一静电纺丝溶液从喷丝头一012喷出至基材表面，在经过喷丝头一012与接收屏一011之间的电场的加速，使得TPU高分子材料得到拉伸，使其无序的堆积至基材表面，在基材纤维之间的空隙及表面上形成一层直径较为均匀的纳米纤维，该均匀直径纳米纤维层厚度为1-5μm，面密度为0.5-5gsm，纤维的平均直径为50-500nm。
由将配制好的第二静电纺丝溶液从喷丝头二022喷出至基材表面，在经过喷丝头二022与接收屏二021之间的电场加速，使得TPU高分子材料得到拉伸，使其无序的堆积至基材表面，在均匀直径纳米纤维层表面形成珍珠头纳米纤维层，厚度为0.1-0.5μm，面密度为0.1-1gsm，纤维平均直径为50-200nm，珍珠状TPU颗粒直径为1-10微米。将经过喷丝头一012和喷丝头二022在基材表面形成纳米纤维层在收卷装置上进行成卷。
之所以第一静电纺丝溶液和第二纺丝溶液所形成的纳米纤维的形态有所差异，是因为所配制两种静电纺丝中TPU作为溶质的含量不同，在溶剂较多的情况下，会使得部分溶剂在所形成的纳米纤维上形成珍珠状。
改性TPU树脂经高压静电纺丝法所制备的TPU纳米纤维网对油接触角为0°，对液态水的接触角达到150°，纳米纤维膜层吸油后，具有油水分离和高效低阻的效果，能够阻挡2微米以上的乳化水滴，对燃油中含有的水分能够分离99%以上。
纳米纤维膜层431为均匀直径纳米纤维层和珍珠状纳米纤维层组合起来，珍珠状纳米纤维中含有未完全挥发的溶剂，该溶剂能够保证纳米纤维膜层431与普通过滤纸层432紧密结合起来，确保纳米纤维膜层431在高压燃油通过时不被冲散或者剥离。
所形成的稳定的纳米纤维膜能够持续有效的分离出燃油中的乳化水和游离水分子，并在纳米纤维膜的表面聚集成大的水滴，水滴在重力的作用下，下沉至燃油滤清器底部的集水杯中，从而达到油水分离的目的。
实施例二
结合图1和图2对，本发明所涉及的纳米纤维复合过滤纸的生产工艺进行说明，与实施例一的区别在于：
在本实施例中，普通过滤纸层432选择为玻璃纤维无纺布，克重为300GSM，透气量为300L/m2/s。
在本实施例中，第一静电纺丝溶液中，TPU的质量分数为20%。第二静电纺丝溶液中，TPU的质量分数为8%。
在本实施例中，喷丝头一012与接收屏一011之间的电压为50KV，间距为25mm，喷丝头二022与接收屏二021之间的电压为50KV，间距为25mm。
实施例三
结合图2和图3，对本实施例作详细说明。本实施例所涉及的一种纳米纤维复合过滤纸的生产工艺进行说明，与实施例一的区别在于：将熔喷棉层433和普通无纺布层434依次与堆积有纳米纤维膜层431的普通过滤纸层432进行复合，形成依次为纳米纤维膜层431、普通过滤纸层432、熔喷棉层433和普通无纺布层434的纳米纤维复合过滤纸。
在本实施例中，熔喷棉层433至少包括PBT、PET、PPS、PP、芳纶纤维中一种，熔喷棉层433中纤维的的平均直径为0.5-10μm，面密度为30-300GSM。在本实施例中，优选为PBT，也可根据实际的需要而选择其他的纤维材质。平均直径优选为2μm，面密度优选为250GSM。
普通无纺布层434为热粘无纺，材质为PBT、PET、PPS或PP；普通无纺布层434中纤维的平均直径为5-200μm，面密度为10-300GSM。在本实施例中，材质优选为PP，亦可根实际需要而选择其他的纤维材质，平均直径优选为100μm，面密度优选为20GSM。
堆积有纳米纤维膜层431的普通过滤纸层432、熔喷棉层433和普通无纺布层434，通过点状、线状、条状或者纤维状等各种形状的热熔胶结合，热熔胶结合点的面积占整个复合材料面积的0.01~10%。所使用的热熔胶为改性聚酰胺热熔胶。
燃油中的水分首先经过分离以后，燃油中的细小颗粒物、石蜡等杂质通过纳米纤维膜后进入普通过滤纸层432和熔喷棉层433并被吸附住，从而实现纳米纤维复合过滤材料对燃油中杂质的高过滤效率。
实施例四
结合图2和图3，对本实施例作详细说明。本实施例所涉及的一种纳米纤维复合过滤纸的生产工艺进行说明，与实施例一的区别在于：堆积有纳米纤维膜层431的普通过滤纸层432、熔喷棉层433和普通无纺布层434通过超声波或热压复合形成层叠结构。
对实施例一至实施例四的生产工艺所制备的纳米纤维复合过滤纸430、以及市场上燃油过滤器所使用的过滤纸进行水油分离的比例以及4微米以下的细小颗粒物的过滤效率进行测试。
实施例一至实施例四所制备的纳米纤维复合过滤纸430，具有油水分离和高效低阻的效果，能够阻挡2微米以上的乳化水滴，对燃油中含有的水分能够分离99%以上。而现有的过滤纸中水油分离的一般在90%左右。
实施例一至实施例四所制备的纳米纤维复合过滤纸430对平均直径在4微米以下的细小颗粒物的过滤效率能够达到99%。而市场上燃油过滤器所使用的过滤纸对4微米以下的细小颗粒物的过滤效率一般为70-75%。由此可知实施例一至实施例四所制备的纳米纤维复合过滤纸430对于杂质具有很高的过滤效率。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，
配制第一静电纺丝溶液：将TPU溶解于混合溶剂；其中，TPU的质量分数为8%-20%；所述的混合溶剂中含有第一溶剂与第二溶剂，第一溶剂和第二溶剂的质量比为3：7；
配制第二静电纺丝溶液：将TPU溶解于第一溶剂；其中，TPU的质量分数为2%-8%；
所述的第一溶剂为N、N-二甲基甲酰胺或N，N-二甲基乙酰胺；所述的第二溶剂为丙酮或丁酮；
所述的TPU为含有硅氧烷基团支链的TPU树脂，分子量为40000~200000,硅氧烷基团分子量占比5%~50%，硅氧烷支链碳原子数为4~16；
将基材置于纳米纤维复合过滤纸量产化设备上，采用高压静电纺丝的方法将第一静电纺丝溶液及第二静电纺丝溶液在基材的表面及空隙上形成纳米纤维膜层。
2.如权利要求1所述的纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，所述的量产化设备包括放卷装置、收卷装置、喷丝组件一和喷丝组件二；所述的喷丝组件一包括接收屏一，及位于接收屏一下方的喷丝头一；所述的喷丝组件二包括接收屏二，及位于接收屏二下方的喷丝头二；所述的喷丝头一与接收屏一之间、喷丝头二与接收屏二之间具有电场；所述的喷丝头一与喷丝头二用于喷丝，将所喷出的静电纺丝溶液经电场加速后在基材上形成由均匀纳米纤维和珍珠状纳米纤维组成的纳米纤维膜层；所述的基材从放卷装置引出后依次通过接收屏一的下方、接收屏二的下方，在收卷装置成卷。
3.如权利要求1所述的纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，所述的喷丝头一与接收屏一之间的具有10-100KV的电压，所述的喷丝头二与接收屏二之间具有10-100KV的电压；所述的喷丝头一与接收屏一的间距为5-50mm，所述的喷丝头二与接收屏二的间距为5-50mm。
4.如权利要求1所述的纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，所述的喷丝头一和喷丝头二的喷丝直径范围为5-1000纳米。
5.如权利要求1所述的纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，所述基材的面密度为50-500GSM，在200Pa下透气量为100-600L/m2/s，包括，
至少由纤维素纤维、无机纤维、合成纤维中的一种所组成的纤维集合体，及涂布于纤维集合体上的施胶层。
6.如权利要求1至5任一项所述的纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，堆积有纳米纤维膜层的基材的另一侧还依次复合有熔喷棉层和普通无纺布层；所述的基材为普通过滤纸层。
7.如权利要求6所述的纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，所述的熔喷棉层至少包括PBT、PET、PPS、PP、芳纶纤维中一种，熔喷棉层中纤维的平均直径为0.5-10μm，面密度为30-300GSM；所述的普通无纺布层为热粘无纺布，材质为PBT、PET、PPS或PP；普通无纺布层中纤维的平均直径为5-200μm，面密度为10-300GSM。
8.如权利要求6所述的纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，堆积有纳米纤维膜层的普通过滤纸层、熔喷棉层和普通无纺布层，通过点状、线状、条状或者纤维状的热熔胶结合，热熔胶结合点的面积占整个复合材料面积的0.01~10%。
9.如权利要求6所述的纳米纤维复合过滤纸的生产工艺，其特征在于，堆积有纳米纤维膜层的普通过滤纸层、熔喷棉层和普通无纺布层通过超声波或热压复合形成层叠结构。
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