填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料及其制备装置及方法

摘要

本发明提供了一种填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料及其制备装置及方法。所述的填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料，其特征在于，由芯层、中间层和表层组成，中间层居中，芯层和表层分别复合在中间层的两个表面，所述的芯层为熔喷纤维，中间层为羽毛纤维与熔喷纤维的复合层，表层为熔喷纤维。本发明的羽毛纤维与丙纶纤维通过熔喷工艺，粘合在一起，形成羽毛非织造材料，克服了羽毛纤维不易加工的缺点，提高了羽毛纤维的填充量。

说明书

技术领域

本发明属于复合非织造材料及其制备领域，更具体地，本发明涉及一种填充羽毛纤维的非织造复合滤芯材料及其制备装置及方法。

背景技术

我国是羽绒、羽毛及其制品的生产和贸易大国，羽绒、羽毛资源丰富，年产量达六十多万吨，己经形成300亿元的市场规模，占世界总产量的60％。目前，除了20％的羽绒被用作保暖填充材料外，剩下80％的羽毛资源只被利用了3％～5％，主要用作填充料、羽毛球及工艺品，少数用来提取蛋白质作肥料。国内外对羽毛及其制品的研究开发还停留在原材料粗加工的水平上，羽毛资源总利用率不高，主要被作为废弃物而通过焚烧或填埋的方式处理掉，给生态环境造成较大的污染。

羽毛绒是禽类皮肤的衍生物，主要分为羽绒和羽毛。羽绒羽枝从羽干或羽根上分离后称为绒丝；羽毛羽枝从羽干上分离后称为羽丝。绒丝和羽丝统称为羽毛纤维。羽毛纤维平直，没有抱合性，抗拉强度较低，不能直接用来纺纱，无法形成纯羽毛纤维织物。如果与其它纤维混纺，羽毛纤维的填充量也不能太高，一般不超过60％，否则纱线抗拉强度低，表面毛羽多，条干不匀。

许多研究发现，羽毛纤维可以很好地吸附水中的重金属离子和有害染料，如孔雀绿、靛蓝FCF和苯酚等。因此，将羽毛纤维用于污水和废水处理，可以很好地吸附水中的有害物质。但是羽毛纤维离散性太大，漂浮在水中变成杂质，回收困难，迄今还未见大规模推广应用。

专利CN1570273公开了一种利用家禽羽毛生产特种纸张的工艺，它采用羽毛纤维为主要原料，按一定比例与植物纤维浆配抄，从而生产出可以应用于多种用途的特种纸张。该发明中，羽毛纤维要采用高浓盘磨机制成羽毛纤维浆后才可以与植物纤维浆混合，成形为纸张后还需进行漂白，制作工艺复杂，成本高。

专利CN101385921公开了一种羽毛纤维的非织造复合过滤材料及其制备方法，它是通过在羽毛纤维中混入双组分纤维，然后通过气流成网和针刺加固的方法将其成形为具有一定力学性能的纤维网，然后再通过热风烘箱热熔加固，得到复合过滤材料。该过滤材料具有较好的力学性能和尺寸稳定性。但该材料成形工艺流程较长，设备投入较大，而且该羽毛非织造复合过滤材料使用不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种填充羽毛纤维的非织造复合滤芯材料及其制备装置及方法，所述的非织造复合滤芯材料整体均匀性好、表面平整、不掉毛，且可以有效吸附废水中的重金属、染料、油污和有机溶剂等有害物质，净化水质；所述的制备方法不需预先处理羽毛纤维，工艺简单。

为了达到上述目的，本发明提供了一种填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料，其特征在于，由芯层、中间层和表层组成，中间层居中，芯层和表层分别复合在中间层的两个表面，所述的芯层为熔喷纤维，中间层为羽毛纤维与熔喷纤维的复合层，表层为熔喷纤维。

优选地，所述的芯层由聚乙烯切片、聚丙烯切片、聚酯切片或聚酰胺树脂切片经熔喷得到的熔喷纤维构成，芯层的厚度为3～6mm，长度为500～1400mm，熔喷纤维的直径为4～6μm，孔隙率为73～78％。

优选地，所述的中间层由聚乙烯切片、聚丙烯切片、聚酯切片或聚酰胺树脂切片在熔喷过程中混入羽毛纤维而形成的复合材料构成，中间层的厚度为3～69mm，长度为500～1400mm，羽毛纤维的含量为60％～80％，孔隙率为78～85％。

优选地，所述的表层由聚乙烯切片、聚丙烯切片、聚酯切片或聚酰胺树脂切片经熔喷得到的熔喷纤维构成，表层的厚度为3～6mm，长度为500～1400mm，纤维直径为4～6μm，孔隙率为73～78％。

优选地，所述的填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料的长度为500～1400mm，内径为25mm、28mm、30mm或35mm，外径为50～100mm。

本发明还提供了上述的填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料的制备装置，包括传统的熔喷装置，所述的传统的熔喷装置包括螺杆挤出机和滤芯接收卷绕装置，其特征在于，还包括羽毛纤维喂入装置，所述的羽毛纤维喂入装置包括圆管、空压机和喂棉称量机，所述的圆管的上管口以及空压机的压缩空气出口与喂棉称量机出口相连接，所述的圆管的下管口设于螺杆挤出机和滤芯接收卷绕装置之间形成的熔喷热空气流上方的位置处。

本发明还提供了上述的填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料的制备方法，其特征在于，采用上述的填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料的制备装置，具体步骤为：

第一步：将聚乙烯切片、聚丙烯切片、聚酯切片或聚酰胺树脂切片通过螺杆挤出机加热熔融，经喷丝孔挤出后在热空气牵伸下到达滤芯接收卷绕装置，冷却形成芯层；

第二步：在运行螺杆挤出机和滤芯接收卷绕装置的同时，打开羽毛纤维喂入装置，将羽毛纤维喂入到熔喷热空气流中，与熔喷纤维一起凝聚到滤芯接收卷绕装置上，自然冷却后在芯层的外侧形成羽毛纤维和熔喷纤维的复合层，即中间层；

第三步：停止喂入羽毛纤维，继续进行熔喷生产，在中间层的外侧形成表层，得到填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料。

优选地，所述的第一步的具体工艺参数为：使用聚乙烯切片时，螺杆挤出机的温度为200～300℃，使用聚丙烯切片时，螺杆挤出机的温度为220～320℃，使用聚酯切片时，螺杆挤出机的温度为180～320℃，使用聚酰胺树脂切片时，螺杆挤出机的温度为170～300℃；螺杆挤出机的喷丝孔孔数为600个，每个喷丝孔的挤出量为0.3～0.5g/min；牵伸热空气的温度为300～380℃，压力为0.2～0.5MPa；螺杆挤出机的喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离为200～300mm；滤芯接收卷绕装置的转速为25～30rpm，横动速度为24～1400cm/min，熔喷时间为0.2～2min。

优选地，所述的第二步的具体工艺参数为：圆管内的气流速度为5～10m/s，羽毛纤维的喂入速度为0.7～3414g/min，螺杆挤出机的喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离为280～360mm；滤芯接收卷绕装置的转速为25～30rpm，横动速度为7.8～14000cm/min，羽毛纤维喂入时间为0.04～11.3min。

优选地，所述的第三步的具体工艺参数为：螺杆挤出机的喷丝孔和滤芯接收卷绕装置之间的水平距离为220～425mm，滤芯接收卷绕装置的转速为25～30rpm，横动速度为9.4～933cm/min，停止喂入羽毛纤维后的熔喷时间为0.3～5.3min。

本发明所述的羽毛纤维是指未经特殊处理，直接从鸡、鸭、鹅、孔雀或鸵鸟禽类羽毛羽上分离去杂的绒丝和羽丝。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)羽毛纤维与化学纤维通过熔喷工艺，粘合在一起，形成羽毛非织造材料，克服了羽毛纤维不易加工的缺点，提高了羽毛纤维的填充量；

(2)采用熔喷工艺制得的填充羽毛纤维的复合滤芯材料整体均匀度好、表面平整、不掉毛，具有良好的过滤性能；而且易拿、易用，可定期更换，解决了羽毛纤维难以反复使用的问题；

(3)与普通的化纤过滤材料相比，该复合熔喷过滤材料具有可吸附重金属、染料、铅、铜等金属离子、油污和有机溶剂等有害物质的特殊功能。

附图说明

图1为填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料的结构示意图；

图2为复合熔喷滤芯材料的制备方法流程图；

图3为复合熔喷滤芯材料的制备装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例来具体说明本发明。

实施例1

如图3所示，为复合熔喷滤芯材料的制备装置结构示意图，所述的复合熔喷滤芯材料的制备装置包括传统的熔喷装置和羽毛纤维喂入装置，所述的传统的熔喷装置包括螺杆挤出机4和滤芯接收卷绕装置5，所述的羽毛纤维喂入装置包括圆管6、空压机和ZBG011型喂棉称量机，圆管6的上管口通过一喇叭状接头与ZBG011型喂棉称量机出口相连接，空压机的压缩空气出口与ZBG011型喂棉称量机出口相连接，空压机产生的压缩空气由喂棉称量机出口进入。圆管6的直径为80mm，圆管6的下管口设于螺杆挤出机4和滤芯接收卷绕装置5之间形成的熔喷热空气流7上方的位置处，圆管6与地面的夹角为60°，圆管6的下管口与螺杆挤出机4的喷丝孔之间的水平距离为100mm，垂直距离为60mm。空压机提供的压缩空气将经过喂棉称量机开松和自动称量的羽毛纤维定量喂入到熔喷热空气流中。

实施例2

如图2所示，为复合熔喷滤芯材料的制备方法流程图，所述的复合熔喷滤芯材料的制备方法的具体步骤为：

(1)中国石油化工股份有限公司生产的牌号为888-000的低密度聚乙烯树脂切片通过螺杆挤出机4加热挤压成为熔融态，经过滤器过滤和计量泵计量后进入喷丝孔，经喷丝孔挤出后在热空气牵伸下到达滤芯接收卷绕装置5，然后冷却成形为复合滤芯材料的芯层1。具体工艺参数：螺杆挤出机4温度为220℃，螺杆挤出机4的喷丝孔孔数为600个，每个模头喷丝孔的挤出量为0.3g/min，牵伸热空气的温度为360℃，压力为0.3MPa；螺杆挤出机4的喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离为200mm；滤芯内径为25mm，滤芯接收卷绕装置5的转速为25rpm，横动速度为280cm/min。持续运行该步骤1min，即得厚度为3mm、长度为1400mm、纤维直径为6μm、孔隙率为73％的熔喷纤维层，即复合滤芯材料的芯层1。

(2)在运行步骤(1)的同时，打开羽毛纤维喂入装置，将羽毛纤维喂入到熔喷热空气流中，与熔喷纤维一起凝聚到滤芯接收卷绕装置上，自然冷却后得到羽毛纤维和熔喷纤维的复合层，即复合熔喷滤芯材料的中间层。具体工艺参数为：圆管6内气流速度为6m/s，羽毛纤维喂入速度为273g/min；螺杆挤出机4喷丝孔和滤芯接收装置5之间的水平距离为280mm；滤芯接收卷绕装置5转速为25rpm，横动速度为560cm/min。持续运行该步骤1.0min，其它工艺参数与第一步相同，即得厚度为20mm、长度为1400mm、羽毛纤维的重量百分比含量为60％、孔隙率为80％的羽毛纤维和熔喷纤维复合层，即复合熔喷滤芯材料的中间层2。

(3)停止喂入羽毛纤维，将螺杆挤出机4的喷丝孔和滤芯接收装置5之间的水平距离调整为230mm，滤芯接收卷绕装置5的转速为25rpm，横动速度为147cm/min，继续进行熔喷生产1.9min，制得厚度为3mm、长度为1400mm、纤维直径为6μm、孔隙率为73％的熔喷纤维层，即复合熔喷滤芯材料的表层3。

如图1所示，为填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料的结构示意图，所述的由芯层1、中间层2和表层3组成，中间层2居中，芯层1和表层3分别复合在中间层的两个表面，所述的芯层1为熔喷纤维，中间层2为羽毛纤维与熔喷纤维的复合层，表层3为熔喷纤维。所得复合熔喷滤芯材料的长度为1400mm、内径为25mm、外径为51mm，羽毛纤维的重量百分比含量为60％。根据ISO4003国际标准测试(测试方法若为本领域公知方法，请给出名称，否则，给出具体测试步骤)，该复合熔喷滤芯材料的过滤精度为7μm。在压差为0.015MPa条件下清水流量为1.2吨/小时，对浓度为200ppm铅离子溶液的饱和吸附量为20g。

实施例3

如图2所示，为复合熔喷滤芯材料的制备方法流程图，所述的复合熔喷滤芯材料的制备方法的具体步骤为：

(1)中国石油化工股份有限公司生产的牌号为S2040的聚丙烯树脂切片通过螺杆挤出机加热挤压成为熔融态，经过滤器过滤和计量泵计量后进入喷丝孔，经喷丝孔挤出后在热空气牵伸下到达滤芯接收卷绕装置，然后冷却成形为复合滤芯材料的芯层。具体工艺参数：螺杆挤出机温度为230℃，螺杆挤出机4的喷丝孔孔数为600个，每个模头喷丝孔的挤出量0.4g/min；牵伸热空气的温度为360℃，压力为0.4MPa；螺杆挤出机喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离为220mm；滤芯内径为30mm，滤芯接收卷绕装置5的转速为30rpm，横动速度为200cm/min。持续运行该步骤1min，即得厚度为5mm、长度为1000mm、纤维直径为5μm、孔隙率为74％的熔喷纤维层，即复合滤芯材料的芯层1。

(2)在运行步骤(1)的同时，打开羽毛纤维喂入装置，将羽毛纤维喂入到熔喷热空气流中，与熔喷纤维一起凝聚到滤芯接收卷绕装置上，自然冷却后得到羽毛纤维和熔喷纤维的复合层，即复合熔喷滤芯材料的中间层。具体工艺参数为：圆管6内气流速度为10m/s，羽毛纤维喂入速度为545g/min；螺杆挤出机4喷丝孔和滤芯接收装置4之间的水平距离为280mm；滤芯接收卷绕装置5转速为30rpm，横动速度为267cm/min。持续运行该步骤1.5min，其它工艺参数与第一步相同，即得厚度为50mm、长度为1000mm、羽毛纤维的重量百分比含量为70％、孔隙率为80％的羽毛纤维和熔喷纤维复合层，即复合熔喷滤芯材料的中间层2。

(3)停止喂入羽毛纤维，将螺杆挤出机喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离调整为230mm，滤芯接收卷绕装置的转速为30rpm，横动速度为76.9cm/min，继续进行熔喷生产2.6min，制得厚度为5mm、长度为1000mm、纤维直径为5μm、孔隙率为75％的熔喷纤维层，即复合熔喷滤芯材料的表层3。

如图1所示，为填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料的结构示意图，所述的由芯层1、中间层2和表层3组成，中间层2居中，芯层1和表层3分别复合在中间层的两个表面，所述的芯层1为熔喷纤维，中间层2为羽毛纤维与熔喷纤维的复合层，表层3为熔喷纤维。所得复合熔喷滤芯材料的长度为1000mm、内径为30mm、外径为90mm，羽毛纤维的重量百分比含量为70％。根据ISO4003国际标准测试(测试方法若为本领域公知方法，请给出名称，否则，给出具体测试步骤)，该复合熔喷滤芯材料的过滤精度为6μm，在压差为0.015MPa条件下清水流量为1.4吨/小时，对浓度为200ppm铜离子溶液的饱和吸附量为50g。

实施例4

如图2所示，为复合熔喷滤芯材料的制备方法流程图，所述的复合熔喷滤芯材料的制备方法的具体步骤为：

(1)中国石油化工股份有限公司生产的牌号为FD501的聚酯切片通过螺杆挤出机加热挤压成为熔融态，经过滤器过滤和计量泵计量后进入喷丝孔，经喷丝孔挤出后在热空气牵伸下到达滤芯接收卷绕装置，然后冷却成形为复合滤芯材料的芯层。具体工艺参数：螺杆挤出机温度为310℃，螺杆挤出机4的喷丝孔孔数为600个，每个模头喷丝孔的挤出量0.5g/min；牵伸热空气的温度为350℃，压力为0.4MPa；螺杆挤出机喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离为220mm；滤芯内径为28mm，滤芯接收卷绕装置5的转速为28rpm，横动速度为240cm/min。持续运行该步骤1min，即得厚度为4mm、长度为1200mm、纤维直径为5μm、孔隙率为74％的熔喷纤维层，即复合滤芯材料的芯层1。

(2)在运行步骤(1)的同时，打开羽毛纤维喂入装置，将羽毛纤维喂入到熔喷热空气流中，与熔喷纤维一起凝聚到滤芯接收卷绕装置上，自然冷却后得到羽毛纤维和熔喷纤维的复合层，即复合熔喷滤芯材料的中间层。具体工艺参数为：圆管内气流速度为8m/s，羽毛纤维喂入速度为896g/min；螺杆挤出机喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离为280mm；滤芯接收卷绕装置转速为28rpm，横动速度为565cm/min。持续运行该步骤0.85min，其它工艺参数与第一步相同，即得厚度为40mm、长度为1200mm、羽毛纤维的重量百分比含量为75％、孔隙率为82％的羽毛纤维和熔喷纤维复合层，即复合熔喷滤芯材料的中间层2。

(3)停止喂入羽毛纤维，将螺杆挤出机喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离调整为230mm，滤芯接收卷绕装置的转速为28rpm，横动速度为92cm/min，继续进行熔喷生产2.6min，制得厚度为4mm、长度为1200mm、纤维直径为5μm、孔隙率为75％的熔喷纤维层，即复合熔喷滤芯材料的表层3。

如图1所示，为填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料的结构示意图，所述的由芯层(1)、中间层(2)和表层(3)组成，中间层(2)居中，芯层(1)和表层(3)分别复合在中间层的两个表面，所述的芯层(1)为熔喷纤维，中间层(2)为羽毛纤维与熔喷纤维的复合层，表层(3)为熔喷纤维。所得复合熔喷滤芯材料的长度为1200mm、内径为28mm、外径为76mm，羽毛纤维的重量百分比含量为75％。根据ISO4003国际标准测试(测试方法若为本领域公知方法，请给出名称，否则，给出具体测试步骤)，该复合熔喷滤芯材料的过滤精度为6μm，在压差为0.015MPa条件下清水流量为1.0吨/小时，对浓度为200ppm的铅离子溶液的饱和吸附量为26g。

实施例5

如图2所示，为复合熔喷滤芯材料的制备方法流程图，所述的复合熔喷滤芯材料的制备方法的具体步骤为：

(1)神马实业股份有限公司生产的牌号为FYR25T03CL的尼龙66树脂切片通过螺杆挤出机加热挤压成为熔融态，经过滤器过滤和计量泵计量后进入喷丝孔，经喷丝孔挤出后在热空气牵伸下到达滤芯接收卷绕装置，然后冷却成形为复合滤芯材料的芯层。具体工艺参数：螺杆挤出机温度为300℃，螺杆挤出机4的喷丝孔孔数为600个，每个模头喷丝孔的挤出量0.4g/min；牵伸热空气的温度为320℃，压力为0.5MPa；螺杆挤出机喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离为220mm；滤芯内径为35mm，滤芯接收卷绕装置5的转速为25rpm，横动速度为178cm/min。持续运行该步骤0.9min，即得厚度为4mm、长度为800mm、纤维直径为4μm、孔隙率为74％的熔喷纤维层，即复合滤芯材料的芯层1。

(2)在运行步骤(1)的同时，打开羽毛纤维喂入装置，将羽毛纤维喂入到熔喷热空气流中，与熔喷纤维一起凝聚到滤芯接收卷绕装置上，自然冷却后得到羽毛纤维和熔喷纤维的复合层，即复合熔喷滤芯材料的中间层。具体工艺参数为：圆管内气流速度为8m/s，羽毛纤维喂入速度为963g/min；螺杆挤出机喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离为300mm；滤芯接收卷绕装置转速为25rpm，横动速度为1185cm/min。持续运行该步骤0.27min，其它工艺参数与第一步相同，即得厚度为35mm、长度为800mm、羽毛纤维的重量百分比含量为80％、孔隙率为85％的羽毛纤维和熔喷纤维复合层，即复合熔喷滤芯材料的中间层2。

(3)停止喂入羽毛纤维，将螺杆挤出机喷丝孔和滤芯接收装置之间的水平距离调整为250mm，滤芯接收卷绕装置的转速为25rpm，横动速度为88.9cm/min，继续进行熔喷生产1.8min，制得厚度为4mm、长度为800mm、纤维直径为4μm、孔隙率为75％的熔喷纤维层，即复合熔喷滤芯材料的表层3。

如图1所示，为填充羽毛纤维的复合熔喷滤芯材料的结构示意图，所述的由芯层1、中间层2和表层3组成，中间层2居中，芯层1和表层3分别复合在中间层的两个表面，所述的芯层1为熔喷纤维，中间层2为羽毛纤维与熔喷纤维的复合层，表层3为熔喷纤维。所得复合熔喷滤芯材料的长度为800mm、内径为35mm、外径为78mm，羽毛纤维的重量百分比含量为80％。根据ISO4003国际标准测试(测试方法若为本领域公知方法，请给出名称，否则，给出具体测试步骤)，该复合熔喷滤芯材料的过滤精度为5μm，在压差为0.015MPa条件下清水流量为0.8吨/小时，对浓度为200ppm的铜离子溶液的饱和吸附量为20g。