阅读说明：本技术 一种梯度结构玻璃纤维滤纸及其制备方法和应用 (Glass fiber filter paper with gradient structure and preparation method and application thereof ) 是由 刘铁军 王屹 胡晓侠 王莹 费传军 范凌云 郭晓蓓 陈晓燕 代丰 吴涛 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及过滤与分离技术领域,公开了一种梯度结构玻璃纤维滤纸及其制备方法和应用,所述方法包括制浆、成型和干燥步骤,成型时通过双层流浆箱的布浆和匀整作用,可精确控制不同层浆料的用量,然后脱水成型,在成型过程中使不同层浆料接触面的纤维发生相互渗透,从而使各过滤层泾渭分明且又有一定的层间结合力,在提高过滤效率的同时,增加了各层之间的吸附力,使形成的湿纸页不易脱落或分层。本发明的方法实现了多级过滤效果滤纸的一次性生产,避免了不同层之间粘合剂的使用,提高了滤纸的综合性能,减少了其他工艺后续的各梯度复合工艺,提高了生产效率。(The invention relates to the technical field of filtration and separation, and discloses glass fiber filter paper with a gradient structure and a preparation method and application thereof. The method of the invention realizes the one-time production of the filter paper with the multi-stage filtering effect, avoids the use of adhesives among different layers, improves the comprehensive performance of the filter paper, reduces the subsequent gradient compound processes of other processes and improves the production efficiency.)

一种梯度结构玻璃纤维滤纸及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及过滤与分离技术领域，具体涉及一种梯度结构玻璃纤维滤纸及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球人口的不断增长和科学技术的飞速发展，人类在创造文明的同时也缔造了一个深受人类影响的全球生态系统，生态环境的恶化给人类的生产、生活带来了极大的危害。近年来，随着现代科学技术的发展和人类生活质量要求的提高以及日益严格的环境法规，过滤分离行业得到了快速发展。为了实现净化的目的，新型优质的过滤材料逐步成为科研工作者的研究热点。

玻璃纤维具有较细的直径(0.3μm)、优异的尺寸稳定性、不易变形、不粘附、耐高温耐腐蚀等优良特性，以其为原料形成的玻璃纤维滤纸具有极高的过滤效率、优良的化学稳定性和较低的阻力，因此，玻璃纤维滤纸广泛应用于空气及液体过滤中，在众多过滤分离材料中占据不可撼动的地位。然而，对于单层结构的滤纸来说，过滤时大部分颗粒物被拦截在滤纸一侧的表层而形成滤饼，引起滤纸的阻力在短时间内迅速增加，从而导致滤纸整个厚度内的孔隙不能得到充分利用，难以同时满足高过滤效率及容尘量的要求。

为解决高过滤效率与容尘量之间的矛盾，现有技术提出了玻璃纤维双层滤料的制备方法，所述双层滤料由粗玻璃纤维层和细玻璃纤维层组成，通过在粗玻璃纤维层半成品和细玻璃纤维层半成品之间涂布施胶，抽真空复合及干燥处理即得。然而，该公开技术中双层滤料的粗、细玻璃纤维层是通过粘结剂的作用粘合在一起，粘结剂会填充滤材的内部孔隙，影响滤料容尘量，降低产品过滤性能，缩短了产品的使用寿命；另外，上下两层分别成型后再复合在一起，对于设备的同步性要求也较高。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的双层玻璃纤维滤纸因粗、细玻璃纤维层之间的粘合剂影响产品性能的缺陷，从而提供一种梯度结构玻璃纤维滤纸的制备方法，同时，本发明还提供了由上述方法制备得到的梯度结构玻璃纤维滤纸及其应用。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种梯度结构玻璃纤维滤纸的制备方法，所述滤纸包括第一孔径玻璃纤维滤层和第二孔径玻璃纤维滤层，所述第一孔径大于第二孔径，其制备方法包括制浆、成型和干燥步骤，其中，所述成型包括如下步骤：

将所述第一孔径玻璃纤维滤层浆料和所述第二孔径玻璃纤维滤层浆料分别经双层流浆箱布浆后，脱水成型，形成梯度结构的湿纸页。

进一步地，所述脱水成型包括将经所述第一孔径玻璃纤维滤层浆料和所述第二孔径玻璃纤维滤层浆料分别以10～100m³/h的上浆量通过双层流浆箱布浆后，再依次经自然脱水和在真空度为0.01～0.1MPa下抽真空脱水，使所述湿纸页的含水率为60～80％的步骤。

更进一步地，在所述成型步骤前，还包括对所述第一孔径玻璃纤维滤层浆料和所述第二孔径玻璃纤维滤层浆料分别进行过滤和加水稀释至0.1～0.5wt％的步骤。

进一步地，所述制浆包括如下步骤：

第一孔径玻璃纤维滤层浆料的制备：

将微纤维玻璃棉和玻璃纤维短切丝按(50～90)：(9～40)的重量比疏解分散在水中，并调节体系pH至2～4，得到浓度为0.5～1.5wt％的悬浮液；

第二孔径玻璃纤维滤层浆料的制备：

将微纤维玻璃棉和玻璃纤维短切丝按(60～95)：(4～30)的重量比疏解分散在水中，并调节体系pH至2～4，得到浓度为0.5～1.5wt％的悬浮液。

更进一步地，为使微纤维玻璃棉充分分散成均匀的悬浮液，第一孔径玻璃纤维滤层浆料的制浆时间为5～30min，第二孔径玻璃纤维滤层浆料的制浆时间为5～20min。

进一步地，所述微纤维玻璃棉的叩解度为10～80°SR，更优选为14～60°SR。

更进一步地，所述微纤维玻璃棉可以为无碱玻璃或硼硅酸盐玻璃475#。

进一步地，所述玻璃纤维短切丝的长度为3～20mm，其成分可以为无碱玻璃或中碱纤维。

进一步地，在所述干燥步骤前，还包括在所述梯度结构玻璃纤维滤纸湿纸页表面施加粘合剂，并脱水至体系含水率为60～80％，得到所述梯度结构玻璃纤维滤纸半成品的步骤。

更进一步地，所述粘合剂为浓度为1～10wt％的水溶性丙烯酸树脂乳液，其施加量占所述湿纸页总质量的1～10％。

更进一步地，所述水溶性丙烯酸树脂乳液选自阴离子型丙烯酸树脂乳液、阳离子型丙烯酸树脂乳液或非离子型丙烯酸树脂乳液中的至少一种。

更进一步地，所述丙烯酸树脂乳液按重量份计，其原料包括A系列丙烯酸树脂乳液1～10份；B系列丙烯酸树脂乳液1～5份；表面活性剂1～10份；水75～95份。

更进一步地，所述表面活性剂为拒水剂、拒油剂或防污剂中的至少一种。

进一步地，所述干燥为将所述半成品在100～200℃下干燥10～30min，使纸页干度≥99％。

本发明还提供了一种根据上述梯度结构玻璃纤维滤纸的制备方法制备得到的梯度结构玻璃纤维滤纸。

进一步地，所述滤纸的克重为70～120g/m²，所述第一孔径玻璃纤维滤层的克重为20～110g/m²，所述第二孔径细玻璃纤维滤层的克重为20～80g/m²。

本发明还提供了一种根据上述制备方法制备得到的梯度结构玻璃纤维滤纸或上述梯度结构玻璃纤维滤纸在制作液体分离过滤器或气体分离过滤器中的应用。

本发明的技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的梯度结构玻璃纤维滤纸的制备方法，包括制浆、成型和干燥步骤，成型时将所述第一孔径玻璃纤维滤层浆料和所述第二孔径玻璃纤维滤层浆料分别经双层流浆箱布浆，通过双层流浆箱的布浆和匀整作用，可精确控制不同层浆料的用量，然后脱水成型，使不同层浆料接触面的纤维在成型过程中发生相互渗透，从而使各过滤层泾渭分明且又有一定的层间结合力，在提高过滤效率的同时，增加了各层之间的吸附力，使形成的湿纸页不易脱落或分层。本发明的方法实现了多级过滤效果滤纸的一次性生产，避免了不同层之间粘合剂的使用，提高了滤纸的综合性能，减少了其他工艺后续的各梯度工艺，提高了生产效率。

2.本发明提供的梯度结构玻璃纤维滤纸的制备方法，通过双层流浆箱控制上下两层玻璃纤维滤层的布浆速度来控制上层玻璃纤维滤层浆料在下层玻璃纤维滤层上的上浆量，使得到的梯度结构玻璃纤维滤纸既具有高孔隙率、高容尘量、高效率和低阻力的优势，又适应于以扩散机理占主导地位的过滤方式所应有的几何结构。

3.本发明提供的玻璃纤维梯度结构滤纸的制备方法，成型前对浆料进行除渣及稀释处理，为均匀成型提供了有利条件。

4.本发明提供的梯度结构玻璃纤维滤纸的制备方法，通过控制浆料的pH及制浆时间，使得浆料中的纤维相互交织成良好的三维网络结构，形成较为稳定的悬浮状态，延长了纤维在水中的沉降时间，提高了纤维的分散效果。

5.本发明提供的梯度结构玻璃纤维滤纸的制备方法，在湿纸页表面喷施水性丙烯酸树脂乳液，利用乳液中微细粒子在纤维之间渗透、交联，在纤维间形成点连接，避免了不同层之间粘合剂的使用，本发明的方法在提高滤纸强度的同时，进入减少增加滤纸的阻力。

6.本发明提供的梯度结构玻璃纤维滤纸，包括第一孔径玻璃纤维滤层和第二孔径细玻璃纤维滤层，所述第一孔径大于第二孔径，通过设置孔径从上到下逐渐由大变小的梯度结构的过滤层，可合理调节过滤效率与容尘量的关系，达到理想的过滤分离效果，延长滤器使用寿命。本发明的梯度结构滤纸通过纤维间的相互交织将粗细不同的过滤层结合，避免了粘结剂对滤纸性能的影响，相应增加了有效孔隙体积，又产生了良好的过滤效应，由此使滤纸既具有高孔隙率、高容尘量、高效率的特点，又有低阻力的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明梯度结构玻璃纤维滤纸的结构示意图。

附图标记：

1-第一孔径玻璃纤维滤层；2-第二孔径玻璃纤维滤层。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

本实施例提供了一种梯度结构玻璃纤维滤纸，其主要应用于空气过滤。制备方法包括如下步骤：

(1)制浆

第一孔径玻璃纤维滤层浆料的制备：

将微纤维玻璃棉和无碱玻璃纤维短切丝按90:9的重量比疏解分散在水中，并调节体系pH至2，得到浓度为1.0wt％的悬浮液；其中，微纤维玻璃棉由质量比为50:40的14°SR微纤维玻璃棉和34°SR微纤维玻璃棉组成；无碱玻璃纤维短切丝的长度为3mm。

第二孔径玻璃纤维滤层浆料的制备：

将微纤维玻璃棉和玻璃纤维短切丝按95:4的重量比疏解分散在水中，并调节体系pH至2，得到浓度1.0wt％的悬浮液；微纤维玻璃棉由质量比为62:33的34°SR微纤维玻璃棉和49°SR微纤维玻璃棉组成；无碱玻璃纤维短切丝的长度为5mm。

(2)过滤、稀释

分别对第一孔径玻璃纤维滤层浆料和第二孔径玻璃纤维滤层浆料进行过滤除渣，加水稀释至浓度为0.25wt％；待用。

(3)成型

将第一孔径玻璃纤维滤层浆料和第二孔径玻璃纤维滤层浆料分别经对应的流送系统输送至对应的多管布浆器内，经多管布浆器均匀输送至双层流浆箱进行布浆匀整，其中，第一孔径玻璃纤维滤层浆料在双层流浆箱的上层，上浆流量为100m³/h，第二孔径玻璃纤维滤层浆料在双层流浆箱的下层，上浆流量为80m³/h，经双层流浆箱布浆后，再输送至斜网机上，依次经自然脱水和在真空度为0.05MPa的条件下进行抽真空脱水，形成含水率为80％的梯度结构的湿纸页。

(4)施加水溶性丙烯酸树脂乳液

通过帘式施胶的方式将占所述湿纸页总质量1％的水溶性丙烯酸树脂乳液均匀施加于上述湿纸页表面，抽真空脱水至体系含水率为80％，得到所述梯度结构玻璃纤维滤纸半成品。

其中，水溶性丙烯酸树脂乳液由6wt％非离子型丙烯酸树脂乳液AM、2wt％非离子型丙烯酸树脂乳液BM、5wt％拒油剂ZO和87wt％水组成。

(5)干燥

将上述梯度结构玻璃纤维滤纸半成品送入烘缸进行干燥，干燥温度为100℃，时间为30min，纸页干度≥99％，即得所述梯度结构玻璃纤维滤纸，所述滤纸的克重为100g/m²，其中，第一孔径玻璃纤维滤层克重为60g/m²，第二孔径玻璃纤维滤层克重为40g/m²。

实施例2

本实施例提供了一种梯度结构玻璃纤维滤纸，其主要应用于液体过滤。制备方法包括如下步骤：

(1)制浆

第一孔径玻璃纤维滤层浆料的制备：

将微纤维玻璃棉和无碱玻璃纤维短切丝按50:40的重量比疏解分散在水中，并调节体系pH至2，得到浓度为0.5wt％的悬浮液；其中，微纤维玻璃棉由质量比为20:30的19°SR微纤维玻璃棉和34°SR微纤维玻璃棉组成；无碱玻璃纤维短切丝的长度为20mm。

第二孔径玻璃纤维滤层浆料的制备：

将微纤维玻璃棉和玻璃纤维短切丝按60:30的重量比疏解分散在水中，并调节体系pH至2，得到浓度0.5wt％的悬浮液；微纤维玻璃棉由质量比为20:40的24°SR微纤维玻璃棉和44°SR微纤维玻璃棉组成；无碱玻璃纤维短切丝的长度为6mm。

(2)过滤、稀释

分别对第一孔径玻璃纤维滤层浆料和第二孔径玻璃纤维滤层浆料进行过滤除渣，加水稀释至浓度为0.1wt％；待用。

(3)成型

将第一孔径玻璃纤维滤层浆料和第二孔径玻璃纤维滤层浆料分别经对应的流送系统输送至对应的多管布浆器内，经多管布浆器均匀输送至双层流浆箱进行布浆匀整，其中，第一孔径玻璃纤维滤层浆料在双层流浆箱的上层，上将流量为60m³/h，第二孔径玻璃纤维滤层浆料在双层流浆箱的下层，上将流量为30m³/h，经双层流浆箱布浆后，再输送至斜网机上，依次经自然脱水和在真空度为0.01MPa的条件下进行抽真空脱水，形成含水率为80％的梯度结构的湿纸页。

(4)施加水溶性丙烯酸树脂乳液

通过帘式施胶的方式将占所述湿纸页总质量10％的水溶性丙烯酸树脂乳液均匀施加于上述湿纸页表面，抽真空脱水至体系含水率为75％，得到所述梯度结构玻璃纤维滤纸半成品。

其中，水溶性丙烯酸树脂乳液由6wt％阴离子型丙烯酸树脂乳液AN、3wt％非离子型丙烯酸树脂乳液BM、3wt％拒水剂ZW和88wt％水组成。

(5)干燥

将上述梯度结构玻璃纤维滤纸半成品送入烘缸进行干燥，干燥温度为200℃，时间为10min，纸页干度≥99％，即得所述梯度结构玻璃纤维滤纸，所述滤纸的克重为70g/m²，其中，第一孔径玻璃纤维滤层克重为40g/m²，第二孔径玻璃纤维滤层克重为30g/m²。

实施例3

本实施例提供了一种梯度结构玻璃纤维滤纸，其主要应用于液体过滤。制备方法包括如下步骤：

(1)制浆

第一孔径玻璃纤维滤层浆料的制备：

将微纤维玻璃棉和无碱玻璃纤维短切丝按75:20的重量比疏解分散在水中，并调节体系pH至3，得到浓度为1.5wt％的悬浮液；其中，微纤维玻璃棉由质量比为40:30:5的24°SR微纤维玻璃棉、19°SR微纤维玻璃棉和49°SR微纤维玻璃棉组成；无碱玻璃纤维短切丝的长度为15mm。

第二孔径玻璃纤维滤层浆料的制备：

将微纤维玻璃棉和玻璃纤维短切丝按70:25的重量比疏解分散在水中，并调节体系pH至3，得到浓度1.5wt％的悬浮液；微纤维玻璃棉由质量比为50:10:10的10°SR微纤维玻璃棉24°SR微纤维玻璃棉和60°SR微纤维玻璃棉组成；无碱玻璃纤维短切丝的长度为9mm。

(2)过滤、稀释

分别对第一孔径玻璃纤维滤层浆料和第二孔径玻璃纤维滤层浆料进行过滤除渣，加水稀释至浓度为0.5wt％；待用。

(3)成型

将第一孔径玻璃纤维滤层浆料和第二孔径玻璃纤维滤层浆料分别经对应的流送系统输送至对应的多管布浆器内，经多管布浆器均匀输送至双层流浆箱进行布浆匀整，其中，第一孔径玻璃纤维滤层浆料在双层流浆箱的上层，上将流量为20m³/h，第二孔径玻璃纤维滤层浆料在双层流浆箱的下层，上将流量为10m³/h，经双层流浆箱布浆后，再输送至斜网机上，依次经自然脱水和在真空度为0.1MPa的条件下进行抽真空脱水，形成含水率为60％的梯度结构的湿纸页。

(4)施加水溶性丙烯酸树脂乳液

通过帘式施胶的方式将占所述湿纸页总质量5％的水溶性丙烯酸树脂乳液均匀施加于上述湿纸页表面，抽真空脱水至体系含水率为60％，得到所述梯度结构玻璃纤维滤纸半成品。

其中，水溶性丙烯酸树脂乳液由4wt％非离子型丙烯酸树脂乳液AN、4wt％阳离子型丙烯酸树脂乳液BP、2wt％防污剂ZS和90wt％水组成。

(5)干燥

将上述梯度结构玻璃纤维滤纸半成品送入烘缸进行干燥，干燥温度为180℃，时间为20min，纸页干度≥99％，即得所述梯度结构玻璃纤维滤纸，所述滤纸的克重为120g/m²，其中，第一孔径玻璃纤维滤层克重为70g/m²，第二孔径玻璃纤维滤层克重为50g/m²。

对比例1

本对比例提供了一种梯度结构玻璃纤维滤纸，其主要应用于液体过滤。制备方法基本同本发明实施例2，不同之处在于，本对比例的成型步骤中，分别将第一孔径玻璃纤维滤层浆料和第二孔径玻璃纤维滤层浆料直接输送至对应的斜网机上，依次经自然脱水和在真空度为0.01MPa的条件下的抽真空脱水至各自含水率为80％，即获得第一孔径玻璃纤维层半成品和第二孔径玻璃纤维层半成品，然后利用热熔胶机在每层玻璃纤维层之间喷热熔胶，形成胶丝后，再压合，使第一孔径玻璃纤维层紧紧贴合在第二孔径玻璃纤维层上面。

对比例2

本对比例提供了一种梯度结构玻璃纤维滤纸，其主要应用于液体过滤。制备方法基本同本发明实施例2，不同之处在于，本对比例的成型步骤中，分别将第一孔径玻璃纤维滤层浆料和第二孔径玻璃纤维滤层浆料直接输送至对应的斜网机上，依次经自然脱水和在真空度为0.01MPa的条件下的抽真空脱水至各自含水率为50％，即获得第一孔径玻璃纤维层半成品和第二孔径玻璃纤维层半成品，然后通过导辊和压辊引导将第一孔径玻璃纤维层半成品置于上层，第二孔径玻璃纤维层半成品置于下层，在真空度为0.05MPa条件下进行复合抽真空。

性能测试

对本发明实施例1-3、对比例1-2的滤纸及市购滤纸分别进行性能测试，测试方法如下：

(1)空气滤纸，测试滤纸的过滤阻力和过滤效率，根据测试标准CRAA431.3，采用TSI8130A(0.3μ[email protected]/s)测试；

(2)液体滤纸，测试滤纸的过滤精度、过滤阻力和容尘量，其中，过滤阻力采用TSI8130A(0.3μ[email protected]/s)测试，测试标准CRAA431.3；过滤精度和容尘量根据测试标准ISO16889，采用多次通过试验台进行测试。

测试结果如下表1-3所示。

表1不同空气滤纸的性能测试结果

表2不同液体滤纸的性能测试结果

表3不同液体滤纸的性能测试结果

由表2和3的测试结果可以看出，本发明的玻璃纤维梯度结构滤与市购单层过滤材料相比，相同的过滤精度下，阻力最高可以下降40％，容尘量最高可以提高40％以上。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。