本发明涉及空气过滤纸领域，特别是涉及一种含碳纳米材料的空气过滤纸及其制备方法。
背景技术：
高效过滤器可有效拦截颗粒污染物，是保证众多领域空气洁净的重要手段。高效过滤材料是起过滤作用的主要部件，是决定空气过滤器过滤精度高低的关键，由超细纤维经过湿法造纸成形而制备的空气过滤纸在气溶胶过滤过程中性能优良，在市场中倍受青睐。
过滤材料纤维直径越小，除去空气中微粒的粒径就越小，过滤效率也就越高。与传统纤维相比，纳米纤维材料展现出了更好的过滤性能。碳纳米材料具有很小的纳米级直径、巨大的比表面积、优异的吸附性能、超强的力学性能，这些特性使得其在空气过滤领域具有良好的应用前景。此外，目前碳纳米材料已实现工业生产，原料价廉易得，且长度越来越长，这为碳纳米材料在空气过滤领域的应用提供直接条件。
由于碳纳米材料直径接近空气分子平均自由程，使得空气过滤发生在转变流区域甚至在分子流区域，从而大大降低过滤阻力。然而，如果碳纳米材料之间排列过于紧密，将导致碳纳米材料薄膜具有非常大的阻力，因此碳纳米材料在空滤层介质中的存在形态对其空滤效果影响极大。碳纳米材料在空滤材料的应用中还应解决另外一大安全隐患问题——掉粉，其在使用过程中被空气吹扫多次后容易脱落掉粉，成为新的污染源。
因此，对于碳纳米材料在空气过滤的实际应用上，开发一种工艺简单、易于工业化的空气过滤材料及其生产方法，真正发挥碳纳米材料功能、实现其高效去除空气中的亚微米级颗粒污染物具有重要的意义。
技术实现要素：
基于此，有必要针对上述问题，提供一种含碳纳米材料的空气过滤纸及其制备方法。
具体技术方案如下：
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，包括以下步骤：
(1)将纤维材料加入水中，加酸调节ph值为2.5～3.5后疏解分散，送至成型器上抽吸后得成型湿纸，所述纤维材料包括玻璃棉纤维和粗纤维，所述玻璃棉纤维和粗纤维的质量比为1:2～2:1，所述粗纤维为直径为5～10μm的玻璃纤维或涤纶纤维，所述玻璃棉纤维的直径为0.1～5μm；
(2)将质量比为1:1～5的碳纳米材料和醇醚糖苷加入水中进行超声分散，配置成碳纳米材料的质量分数为0.1～1％的碳纳米材料分散液；
(3)将所述碳纳米材料分散液和粘合剂混合后，加入水配置成所含所述碳纳米材料分散液和粘合剂的质量百分总量为0.5～5％的混合稀释液；
(4)对所述成型湿纸在10～60kpa的真空度下施以所述混合稀释液，抽吸，干燥，得含碳纳米材料的空气过滤纸，所述成型湿纸中施以所述混合稀释液的一面为施胶面。
在其中一些实施例中，当所述玻璃棉纤维和粗纤维的质量比为1：1，且所述玻璃棉纤维的直径为0.1～2μm，所述粗纤维的直径为5～10μm时，
对所述成型湿纸在10～11kpa的真空度下施以所述混合稀释液，抽吸，干燥，得到包括底层和表层的含碳纳米材料的空气过滤纸，所述表层为包括所述施胶面的一层，所述含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，所述碳纳米材料分布在所述表层中；或
对所述成型湿纸在29～31kpa的真空度下施以所述混合稀释液，抽吸，干燥，得到含碳纳米材料的空气过滤纸，所述碳纳米材料均匀分布在整个所述含碳纳米材料的空气过滤纸中；或
对所述成型湿纸在49～51kpa的真空度下施以所述混合稀释液，抽吸，干燥，得到包括底层和表层的含碳纳米材料的空气过滤纸，所述表层为包括所述施胶面的一层，所述含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，所述碳纳米材料分布在所述底层中。
在其中一些实施例中，当所述玻璃棉纤维的质量大于所述粗纤维的质量时，
对所述成型湿纸在19～21kpa的真空度下施以所述混合稀释液，抽吸，干燥，得到含碳纳米材料的空气过滤纸，所述碳纳米材料均匀分布在整个所述含碳纳米材料的空气过滤纸中；或
对所述成型湿纸在29～31kpa的真空度下施以所述混合稀释液，抽吸，干燥，得到包括底层和表层的含碳纳米材料的空气过滤纸，所述表层为包括所述施胶面的一层，所述含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，所述碳纳米材料分布在所述底层中。
在其中一些实施例中，当所述玻璃棉纤维的质量小于所述粗纤维的质量时，
对所述成型湿纸在29～31kpa的真空度下施以所述混合稀释液，抽吸，干燥，得到包括底层和表层的含碳纳米材料的空气过滤纸，所述表层为包括所述施胶面的一层，所述含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，所述碳纳米材料分布在所述表层中；或
对所述成型湿纸在49～51kpa的真空度下施以所述混合稀释液，抽吸，干燥，得到含碳纳米材料的空气过滤纸，所述碳纳米材料均匀分布在整个所述含碳纳米材料的空气过滤纸中；或
对所述成型湿纸在59～60kpa的真空度下施以所述混合稀释液，抽吸，干燥，得到包括底层和表层的含碳纳米材料的空气过滤纸，所述表层为包括所述施胶面的一层，所述含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，所述碳纳米材料分布在所述底层中。
上述步骤(4)中的施胶方式优选为帘式施胶方式或喷淋施胶方式。
在其中一些实施例中，所述步骤(4)中施胶过程的车速为20～40m/min。
在其中一些实施例中，所述步骤(4)中的所述混合稀释液的用量为所述成型湿纸绝干重量的5～10％。
上述步骤(2)中所述碳纳米材料和醇醚糖苷的优选的质量比为1:1～2。
在其中一些实施例中，所述粘合剂为聚氨酯粘合剂、丙烯酸树脂粘合剂、酚醛树脂粘合剂中的一种。
在其中一些实施例中，所述步骤(3)中的碳纳米材料分散液和所述粘合剂的质量比为1～3:1。
在其中一些实施例中，所述碳纳米材料为直径为30～200nm的碳纳米纤维和/或碳纳米管。
本发明还公开一种上述的制备方法所得的含碳纳米材料的空气过滤纸。
本发明相较现有技术的优点以及有益效果为：
本发明通过制先把纤维材料抄造成型，再将分散好的碳纳米材料与粘合剂均匀混合，然后在真空环境下施涂在成型湿纸上，抽吸，干燥，并配合优选的工艺参数，所得到的含碳纳米材料的空气过滤纸，碳纳米材料留着率高，低阻高效，没有掉粉的问题，并且具有优异的抗菌性能。
进一步地，本发明通过调整纤维材料的原料的直径、配比以及施胶过程的真空度，可得到碳纳米材料均匀分布于表层、底层或者整体的含碳纳米材料的空气过滤纸，适应不同的生产以及功能需求。
本发明方法工艺简单、成本低、实现了产业化连续生产，产品功能优异、性能稳定；所得产品可满足不同功能需求，应用于空气过滤纸领域，空气阻力小、过滤效率高，并且具有优异的抗菌性能。
附图说明
图1为实施例1所得含碳纳米材料的空气过滤纸的产品实物图；
图2为实施例2所得含碳纳米材料的空气过滤纸的产品实物图；
图3为实施例3所得含碳纳米材料的空气过滤纸的产品实物图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步具体的详细说明。
以下实施例中所用原料以及设备均为市售普通产品。
实施例1
(1)将0.1～2μm直径的玻璃棉纤维和6.5μm直径的玻璃纤维按1:1的质量比混合后，加酸调节ph值为3后疏解分散，送至成型器上抽吸后得成型湿纸；
(2)将相同质量的直径为50～100nm的碳纳米管和醇醚糖苷加入水中进行超声分散，配置成碳纳米管的质量分数为0.5％的碳纳米材料分散液；
(3)将碳纳米材料分散液与聚氨酯粘合剂按1:1的质量比混合，加入去离子水配制成碳纳米管分散液与聚氨酯粘合剂的质量分数总和为1％的混合稀释液；
(4)对成型湿纸通过帘式施胶方式施以混合稀释液(即施胶)，成型湿纸中施以混合稀释液的一面为施胶面，施胶过程的车速为30m/min，施胶量(即混合稀释液的用量)为成型湿纸绝干重量的10％，真空度控制在10kpa；抽吸施胶湿纸后采用红外和烘缸干燥，即得含碳纳米材料的空气过滤纸。
如图1所示，本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为350μm，具有双层结构，包括表层和底层，表层为包括施胶面的一层，含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，碳纳米管均匀分布在表层；本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率大于99.999％，而阻力仅为260pa，对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.9％以上；同时，具有很好的抗菌性能，其抗菌效率大于99.9％。
实施例2
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，与实施例1基本相同，区别在于，步骤(4)中施胶过程的真空度控制在30kpa。
如图2所示，本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为350μm，碳纳米管均匀分布在整个所述含碳纳米材料的空气过滤纸中。本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率大于99.999％，而阻力仅为260pa，对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.9％以上；同时，具有很好的抗菌性能，其抗菌效率大于99.9％。
实施例3
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，与实施例1基本相同，区别在于，步骤(4)中施胶过程的真空度控制在50kpa。
如图3所示，本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为380μm，具有双层结构，包括表层和底层，表层为包括施胶面的一层，含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，碳纳米管均匀分布在底层；本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率大于99.999％，而阻力仅为265pa，对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.9％以上；同时，具有很好的抗菌性能，其抗菌效率大于99.9％。
实施例4
(1)将1～5μm直径的玻璃棉纤维和10μm直径的涤纶纤维按2:1的质量比混合后，加酸调节ph值为3后疏解分散，送至成型器上抽吸后得成型湿纸；
(2)将相同质量的直径为50～200nm的碳纳米纤维和醇醚糖苷加入水中进行超声分散，配置成碳纳米纤维的质量分数为0.8％的碳纳米材料分散液；
(3)将碳纳米材料分散液与丙烯酸树脂粘合剂按3:1的质量比混合，加入去离子水配制成碳纳米管分散液与丙烯酸树脂粘合剂的质量分数总和为2％的混合稀释液；
(4)对成型湿纸通过喷淋施胶方式施以混合稀释液，成型湿纸中施以混合稀释液的一面为施胶面，施胶过程的车速为40m/min，施胶量(混合稀释液的用量)为成型湿纸绝干重量的10％，真空度控制在10kpa；抽吸施胶湿纸后采用红外和烘缸干燥，即得含碳纳米材料的空气过滤纸。
本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为360μm，具有双层结构，包括表层和底层，表层为包括施胶面的一层，含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，碳纳米纤维均匀分布在表层；本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率大于99.999％，而阻力仅为240pa，对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.8％以上；同时，具有很好的抗菌性能，其抗菌效率大于99.9％。
实施例5
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，与实施例4基本相同，区别在于，步骤(4)中施胶过程的真空度控制在20kpa。
本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为360μm，碳纳米纤维均匀分布在整个所述含碳纳米材料的空气过滤纸中。本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率大于99.999％，而阻力仅为250pa，对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.8％以上；同时，具有很好的抗菌性能，其抗菌效率大于99.9％。
实施例6
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，与实施例4基本相同，区别在于，步骤(4)中施胶过程的真空度控制在30kpa。
本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为350μm，具有双层结构，包括表层和底层，表层为包括施胶面的一层，含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，碳纳米纤维均匀分布在底层；本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率大于99.999％，而阻力仅为260pa，对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.8％以上；同时，具有很好的抗菌性能，其抗菌效率大于99.9％。
实施例7
(1)将0.1～5μm直径的玻璃棉纤维和10μm直径的玻璃纤维按1:2的质量比混合后，加酸调节ph值为3后疏解分散，送至成型器上抽吸后得成型湿纸；
(2)将相同质量的直径为30～100nm的碳纳米管和醇醚糖苷加入水中进行超声分散，配置成碳纳米管的质量分数为0.1％的碳纳米材料分散液；
(3)将碳纳米材料分散液与酚醛树脂树脂粘合剂按2:1的质量比混合，加入去离子水配制成碳纳米管分散液与酚醛树脂粘合剂的质量分数总和为0.5％的混合稀释液；
(4)对成型湿纸通过帘式施胶方式施以混合稀释液，成型湿纸中施以混合稀释液的一面为施胶面，施胶过程的车速为20m/min，施胶量(混合稀释液的用量)为成型湿纸绝干重量的5％，真空度控制在30kpa；抽吸施胶湿纸后采用红外和烘缸干燥，即得含碳纳米材料的空气过滤纸。
本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为360μm，具有双层结构，包括表层和底层，表层为包括施胶面的一层，含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，碳纳米管均匀分布在表层；本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率大于99.999％，而阻力仅为260pa，对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.9％以上；同时，具有很好的抗菌性能，其抗菌效率大于99.9％。
实施例8
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，与实施例7基本相同，区别在于，步骤(4)中施胶过程的真空度控制在50kpa。
本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为380μm，碳纳米管均匀分布在整个所述含碳纳米材料的空气过滤纸中。本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率大于99.999％，而阻力仅为265pa，对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.9％以上；同时，具有很好的抗菌性能，其抗菌效率大于99.9％。
实施例9
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，与实施例7基本相同，区别在于，步骤(4)中施胶过程的真空度控制在60kpa。
本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为380μm，具有双层结构，包括表层和底层，表层为包括施胶面的一层，含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，碳纳米管均匀分布在底层；本实施例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率大于99.999％，而阻力仅为270pa，对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.9％以上；同时，具有很好的抗菌性能，其抗菌效率大于99.9％。
对比例1
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，与实施例1基本相同，区别在于，步骤(1)中的玻璃棉纤维和的玻璃纤维的配比为1:3，步骤(4)中施胶过程的真空度控制在5kpa。
本对比例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为420μm，具有双层结构，包括表层和底层，表层为包括施胶面的一层，含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，碳纳米管分布在表层，表层含碳纳米材料很少，纸张白度为65iso；本对比例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率为99.9％，阻力为230pa；对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为95％。本对比例含碳纳米材料的玻璃纤维空气过滤纸的抗菌性能并不十分明显，其抗菌效率约为90％。
对比例2
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，与实施例4基本相同，区别在于，步骤(1)中的玻璃棉纤维和涤纶纤维的配比为3:1，步骤(4)中施胶过程的真空度控制在60kpa。
本对比例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为330μm，具有双层结构，包括表层和底层，表层为包括施胶面的一层，含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，碳纳米管均匀分布在底层；本对比例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为99.9％，但阻力明显增大为470pa。
对比例3
一种含碳纳米材料的空气过滤纸的制备方法，与实施例7基本相同，区别在于，步骤(1)中的玻璃棉纤维和的玻璃纤维的配比为1:4，步骤(4)中施胶过程的真空度控制在80kpa。
本对比例所得含碳纳米材料的空气过滤纸厚度为420μm，具有双层结构，包括表层和底层，表层为包括施胶面的一层，含碳纳米材料的空气过滤纸的另一层为底层，碳纳米管分布在底层，底层含碳纳米材料很少，纸张白度为85iso本对比例所得含碳纳米材料的空气过滤纸对空气中粒径大于0.3μm的颗粒去除率为99.8％，阻力为220pa；对于空气中最易穿透过滤纸的粒径为0.05～0.3μm粒径颗粒的去除率为90％。本对比例含碳纳米材料的玻璃纤维空气过滤纸没有抗菌性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。