一种可完全生物降解的聚乳酸纤维无纺布过滤材料

摘要

本发明公开了一种可完全生物降解的聚乳酸纤维无纺布过滤材料，由聚乳酸纤维复合纤网和硬挺化整理涂层组成，所述的复合纤网分别由上、下层不同线密度的聚乳酸短纤维网组成，硬挺化整理涂层液中各原料以质量百分比记为：硬挺整理剂10-20％、防水剂8-15％和水65-82％，其制备方法如下：首先将聚乳酸短纤维经过两套独立的梳棉系统，分别形成上、下两层独立的复合纤网；其次将两层纤网一起送入高压射流区进行加固成为一个整体；最后经过硬挺化整理、烘干和卷绕制成。本发明提供的过滤材料可形成密度梯度结构的表面过滤机理，具有抑菌、除臭、率效好、阻力低、容尘量高、易清灰的特点，且丢弃后可完全降解。

说明书

技术领域

本发明涉及聚乳酸纤维无纺布过滤材料，具体地说是一种由100％聚乳酸短纤维制成的可完全生物降解的无纺布过滤材料。 

背景技术

随人们生活水平的不断提高，对赖以生存的空气环境的洁净度提出了更高要求，因而对空气过滤材料的需求不断增加。据世界无纺布工业协会INDA统计表明，2007年全球工业过滤用材耗量为108.735万吨，产值6.43亿美元，到2012年增加率达到14％，为7.54亿美元，主要产品是工业清灰用布袋除尘器、筒式过滤器、空气滤清器、高效过滤器(HEPA／ULPA)、一次性面罩和汽车空调过滤器，其中交通、供暖、通风及空气调节(HVAC)占据了过滤市场80％的份额，空气过滤用材料是增长最快的工业用消费市场。 

现有短纤维无纺布过滤材料以涤纶纤维针刺无纺布为主，涤纶纤维是取自石油基为原料，存在对石油依存度大和不可降解的问题，由于空气过滤器属于一次性使用产品，在使用丢弃后无法降解，且其体积比较大，填埋或焚烧都不能彻底解决废弃的过滤器，给后续废物处理带来困难，这些废弃的过滤器属于一次性消耗品，如此量大的废弃物给我们的生活环境带来了巨大负担，因而开发一种可完全生物降解的过滤材料对社会的可持续发展和保护我们赖以生存的环境非常重要。 

聚乳酸纤维是一种环保型的生物质材料，是以乳酸为基本单体原料，经过特殊的聚合反应制成切片，然后经过熔融挤压、冷却、牵伸和纺丝过程而制成，聚乳酸纤维材料的废弃物在土壤或海水中经微生物作用可降解为二氧化碳和水，经植物光合作用后，再次生成淀粉，达到完全循环再利用的目的。由于聚合单体为乳酸，因而聚乳酸纤维表面呈弱酸性，并表现出良好的天然抑菌性和除臭特性；聚乳酸纤维回潮率仅为0.4％，吸湿性较差；与涤纶纤维相比，聚乳酸纤维具有相近的强力，但其蓬松性和弹性回复率要更胜一筹，因此，聚乳酸纤维非常适合于制作过滤材料，再配合以适当的加工方法，完全能够达到过滤材料要求的高效、低阻、大容尘量、易清灰、使用寿命长的目的，且聚乳酸纤维100％可生物降解，真正实现了洁净、清洁、无污染、纯绿色的宏伟目标。 

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明提供一种可完全生物降解的聚乳酸短纤维无纺布过滤材料，其由两层聚乳酸短纤维复合纤网和硬挺化整理涂层构成，线密度小的聚乳酸短纤网构成迎风面，线密度大的聚乳酸短纤网构成背风面，形成了不同密度梯度结构的表面过滤机理，同时聚乳酸短纤维独有的天然抑菌性和可完全生物降解功能，赋予本发明过滤材料抑菌、除臭和环境友好性能。 

为实现上述特点，本发明的技术内容如下： 

一种可完全生物降解的聚乳酸纤维无纺布过滤材料，由聚乳酸短纤维复合纤网和硬挺化整理涂层组成，所述的聚乳酸短纤维复合纤网的组成为：上层纤网使用线密度小的聚乳酸短纤维，在1.2-1.65dtex之间，长度在38-51mm之间，下层纤网使用线密度大的聚乳酸短纤维，在2.2-5.5dtex之间，长度在38-76mm之间，上层纤网所占有的比例为20-40％(质量比)，下层纤网所占有的比例为60-80％(质量比)，硬挺化整理涂层液中各原料以质量百分比记为：硬挺整理剂10-20％、防水剂8-15％和水65-82％，三种组分百分数之和等于100％； 

先将线密度大的聚乳酸短纤维经过第一套梳棉系统，在该系统中将纤维经过喂入、开松、混合和梳理工序后，经交叉铺网、牵伸后形成下层纤维网；其次将线密度小的聚乳酸短纤维通过第二套梳棉系统，在该系统中将纤维经过喂入、开松和梳理后形成上层直铺的纤网；最后将上、下两层独立的纤维网送入高压射流区进行加固成一个整体，再经过硬挺化整理、烘干和卷绕而制成。 

本发明选用两种不同纤维线密度的复合纤网形成了不同的密度梯度结构的表面过滤机理，形成有效过滤粉尘颗粒的曲径系统，赋予了过滤材料阻力低、精度高、过滤面积大、容尘量大、耐破强度高、易清灰的优良特征。 

进一步地，采用泡沫涂层、饱和浸渍和辊涂的方法对聚乳酸短纤维无纺布进行硬挺化整理，作为优选，选择泡沫涂层法。 

作为优选，选择环保型硬挺剂，如聚丙烯酸酯、聚醋酸乙烯酯及聚氨酯，选择上述中的一种或两种共混物作为硬挺化整理剂。 

作为优选，防水剂为有机硅、有机氟中的一种。 

作为优选，所述的高压射流加固方法采用三道，水压设定分别为：25-50、80-100、100-120bar，选用的水针板孔径在0.08-1mm之间。 

作为优选，选用热风穿透式和烘筒接触式两种烘干方式相结合的方法，烘筒烘干温度控 制在90-110℃之间，热风穿透烘干温度控制在70-90℃之间。 

作为优选，所述复合纤网的克重在60-300g／m²，厚度在0.3-2.5mm之间。 

本发明具有以下优点： 

1.本发明采用聚乳酸纤维制作过滤材料的优点 

聚乳酸纤维具有天然抑菌性和除臭功能，吸湿性低，强伸性能与涤纶纤维接近，具有良好的蓬松性和弹性回复率等综合特征，因此100％聚乳酸短纤维无纺布过滤材料具有良好的抑菌性，由于不易滋生细菌更易获得洁净的空气，相应的延长了过滤材料的使用寿命；另一方面，聚乳酸短纤维良好的弹性回复率和蓬松性更易于制成致密和多孔隙结构的无纺布，增加了过滤灰尘时的容尘量，透气性好，运行阻力低。 

2.本发明制备方法具有的优势 

1)采用两套不同的梳棉系统，使线密度小的聚乳酸短纤维位于无纺布滤材的表层(迎风面)，线密度大的纤维位于无纺布滤材的背风面，从而构成了良好的密度梯度结构，形成了非常好的纤维曲径式系统，对粉尘颗粒容易吸附，容尘量大；同时，由于热风穿透和烘筒烘干方式的联合采用，使聚乳酸短纤维无纺布表面光滑平整，在较细纤维构成的迎风面形成了表面过滤机理，可捕集粒径大于0.5微米的细小粉尘，除尘效率达到99％以上，并可经反吹清灰时排除掉，能降低清灰次数，减少能耗。 

2)经高压射流加固后的聚乳酸短纤维无纺布中，纤维之间的孔隙分布均匀、孔径小，纤维交织缠结紧密；与市面现用的PET针刺无纺布滤料相比，在相近强力值的情况下，本发明制备的聚乳酸纤维无纺布过滤材料具有更轻的重量，极大节省了纤维原料的使用量，并最终减小了过滤器的占地面积，同时具有更小的伸长和拉伸变形性，牢固耐用，耐破强度高。 

3)由于制备过程中的硬挺化整理赋予聚乳酸纤维无纺布过滤材料更好的挺度，便于折叠制成各种形状的过滤器，免除了普通滤料袋必须的支撑材料，使过滤面积大大增加，缩短更换安装的时间；同时，由于聚乳酸纤维较低的吸湿性以及硬挺化整理液中拒水剂的采用，使最终制成的过滤器也适合于阴雨和潮湿气候，不会因为使用环境中水汽的作用下而产生变形和糊袋。 

因此，采用本发明制备的过滤材料可用于供暖、通风和空调系统的空气净化过滤，并且在烟草、面粉、食品、奶业、饮料等食品领域过滤方面具有非常好的发展潜力。 

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 

硬挺整理剂、防水剂和聚乳酸纤维的来源的描述，不应构成对本发明内容的限定，其中： 

环保硬挺剂聚醋酸乙烯酯，型号为G-YT，购自无锡宜澄化学有限公司；环保硬挺剂聚丙烯酸酯，型号为DT-412，购自佛山市奕美化工有限公司；环保硬挺剂聚氨酯，型号为DM-3561，购自广东德美精细化工股份有限公司； 

防水剂有机氟试剂，型号为TG410，购自传化集团有限公司；防水剂有机硅试剂，型号为SG-5，购自嘉兴华晟助剂工业公司； 

聚乳酸短纤维可在市场上购买，厂家如马鞍山同杰良生物材料有限公司。 

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。 

实施例1： 

分别选用线密度较大的聚乳酸纤维2.2-3.3dtex，长度38-51mm，线密度较小的聚乳酸纤维1.2-1.4dtex，长度38-42mm，将两种纤维分别经不同的开包机喂入、开松、梳理形成线密度小的聚乳酸短纤维在上层、线密度大的聚乳酸短纤维在下层的两层独立的复合纤网，两层纤网一起采用高压射流加固，选用水针板孔径为0.08-0.09mm，三道水刺水压设定分别为：25-30、80-90、100-110bar，经射流加固后的两层纤网成为一个整体。 

将复合纤网进行泡沫涂层整理，选用环保型聚氨酯作为硬挺剂，硬挺化整理涂层液中各原料以质量百分比为：聚氨酯硬挺整理剂10-14％、防水剂8-10％和水76-82％，三种组分百分数之和等于100％，随后进行烘干，烘筒烘干温度为90-95℃，圆网热风穿透式烘干温度为70-80℃，然后卷绕成布卷，最终得克重为60-100g／m²的聚乳酸纤维无纺布过滤材料，上层纤网所占有的比例为20-25％(质量比)，下层纤网所占有的比例为75-80％(质量比)，厚度为0.3-0.6mm。 

实施例2： 

分别选用线密度较大的聚乳酸纤维4.4-5.5dtex，长度65-76mm，线密度较小的聚乳酸纤维1.5-1.65dtex，长度42-51mm，将两种纤维分别经不同的开包机喂入、开松、梳理形成线密度小的聚乳酸短纤维在上层、线密度大的聚乳酸短纤维在下层的两层独立的复合纤网，两层纤网一起采用高压射流加固，选用水针板孔径为0.09-1mm，三道水刺水压设定分别为：45-50、95-100、115-120bar，经射流加固后的两层纤网成为一个整体。 

将复合纤网进行泡沫涂层整理，选用环保型聚丙烯酸酯作为硬挺剂，硬挺化整理涂层液中各原料以质量百分比为：聚丙烯酸酯硬挺整理剂18-20％、防水剂12-15％和水65-70％，三种组分百分数之和等于100％，随后进行烘干，烘筒烘干温度为100-110℃，圆网热风穿透式烘干温度为85-90℃，然后卷绕成布卷，最终得克重为200-300g／m²的聚乳酸纤维无纺布过滤材料，上层纤网所占有的比例为35-40％(质量比)，下层纤网所占有的比例为60-65％(质量比)，厚度为1.5-2.5mm。 

实施例3： 

分别选用线密度较大的聚乳酸纤维3.3-4.4dtex，长度51-65mm，线密度较小的聚乳酸纤维1.2-1.5dtex，长度38-42mm，将两种纤维分别经不同的开包机喂入、开松、梳理形成线密度小的聚乳酸短纤维在上层、线密度大的聚乳酸短纤维在下层的两层独立的复合纤网，两层纤网一起采用高压射流加固，选用水针板孔径为0.08-0.09mm，三道水刺水压设定分别为：35-45、90-95、110-115bar，经射流加固后的两层纤网成为一个整体。 

将复合纤网进行泡沫涂层整理，选用环保型聚醋酸乙烯酯作为硬挺剂，硬挺化整理涂层液中各原料以质量百分比为：聚醋酸乙烯酯硬挺整理剂14-18％、防水剂10-12％和水70-76％，三种组分百分数之和等于100％，随后进行烘干，烘筒烘干温度为95-100℃，圆网热风穿透式烘干温度为80-85℃，然后卷绕成布卷，最终得克重为100-200g／m²的聚乳酸纤维无纺布过滤材料，上层纤网所占有的比例为25-35％(质量比)，下层纤网所占有的比例为65-75％(质量比)，厚度为0.7-1.5mm。 

效果测试 

1.测试结果的对比 

将上述实施例中所制成的聚乳酸纤维无纺布过滤材料进行了测试(分别见表1和表2)，并将测试结果与现有产品进行了对比，结果如下： 

表1：堆肥降解率、透气度、孔径、耐破度、挺度、强力、容尘量、抑菌性等的比较 

表2：聚乳酸纤维无纺布制作的空气过滤器的过滤效率(以克重100-200g/m²为例) 

2.测试标准 

上述测试的各项内容所采用的标准如下： 

厚度测定采用GB／T3820-1997标准；透气性测定采用GB／T5453-1997标准；孔径测定采用GB／T2679.14-1996标准；耐破度测定采用GB／T454-1989标准；断裂强力测试按照GB／T3923.1-1997标准；挺度测定采用GB／T2679.3-996标准；容尘量测试采用GB／T14295-2008规定方法；抑菌性测定采用卫生部《消毒技术规范》(2002版)2.1.8.7震荡烧瓶试验；堆肥降解率的测定根据标准ISO14855：1999的方法和条件执行。 

聚乳酸短纤维无纺布制作的空气过滤器分级效率的测定在符合GB／T14295-2008《空气过滤 器》的试验台进行测试，采用CLJ-03A型激光尘埃粒子计数器，TSI-8108大粒径气溶胶发生器，试验风量采用2000m³／h。 

3.测试结果分析 

表1结果显示：在堆肥降解、透气度、孔径、耐破度、断裂强力、断裂伸长、挺度、容尘量、抑菌性等方面，实施例1-3的效果明显优于市场上的PET针刺无纺布滤材，表明本发明提供的聚乳酸短纤维无纺布过滤材料效果明显优于现有产品。 

表2结果显示：由聚乳酸短纤维无纺布过滤材料制备的过滤器满足GB12218-89中的高中效和亚高效过滤器的分级标准。 

4.讨论 

现有产品以PET针刺无纺布滤材为主，存在着不降解，对环境污染大，针刺加工过程中对纤维损伤大，进而在无纺布布面产生孔隙大，过滤精度不高，不易发现泄漏，清灰效果差，压差偏高，占地大，维护费用高等诸多问题。 

而本发明提供的聚乳酸纤维无纺布过滤材料，由于聚乳酸短纤维的选用、不同线密度纤维的合理搭配、纤网结构的选择以及后整理工艺的选配，赋予了过滤材料高效、低阻、容尘量大、透气性好、清灰易、占地小、压降小等综合特点，且可堆肥降解，抑菌除臭，除应用于本发明所阐述的空气过滤领域外，未来将逐步拓展到液体过滤领域。 

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。