一种纳米纤维涂层超疏水自清洁空气过滤器滤芯及制造方法技术领域
本发明涉及过滤材料技术领域，具体来说，披露了一种纳米纤维涂层超疏水自清
洁空气过滤器滤芯及制造方法。
背景技术
空气滤芯是空气净化设备的核心单元，滤芯内部的过滤材料对净化设备的空气净
化效果起到决定性作用。一般，要求过滤材料具备过滤效率高，气流阻力小，机械强度大，均
匀性好，满足耐高温、防水、防霉的性能特点。
从二十世纪初开始，空气过滤材料发展迅速，从最初的天然纤维机织物过滤材料，
发展到玻璃纤维过滤材料，再到非织造过滤材料崛起，进而发展到复合型、特殊功能性过滤
材料。同时，不同性能和阶段的过滤材料，均是由相应的制造技术。例如，非织造过滤材料的
制造，现有湿法和化学粘合加工技术，后有针刺、纺粘、喷熔等制造方法，进一步丰富了过滤
材料多样性和提升了过滤材料的过滤性能。
目前，大部分基于纤维的空气净化滤芯材料均由微米纤维制造，其在表面疏水化
处理中存在两个巨大技术挑战：1)纤维材料多为大于10微米的微米级材料，而10微米以上
尺度的表面微结构无法构建低粘附的超疏水表面；2)滤芯材料对多孔结构透气性的需求，
使得多孔结构坍塌、孔堵塞的表面涂布、溶液浸泡接枝等表面改性工艺无法被应用于滤芯
材料上。
随着空气净化设备的使用与运行，室内空气中悬浮颗粒物被累积附着在滤芯过滤
材料上，当滤芯过滤材料上的积尘量达到一定的数值时，通风效率就会下降，甚至完全不能
透风，失去净化器本身的功能。当前，绝大部分空气净化设备的滤芯均为一次性使用耗材部
件，滤芯需定期进行更换。发展可循环使用的自清洁滤芯，对普及空气净化器，并降低其使
用成本，提高空气净化效率，具有巨大的经济价值与环境保护意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种纳米纤维涂层超疏水自清洁空气过滤器
滤芯及制造方法。
一种纳米纤维涂层超疏水自清洁空气过滤器滤芯，其特征在于，包括微米滤芯材
料基底和纳米疏水性纤维无纺薄膜，所述纳米疏水性纤维无纺薄膜由疏水性材料通过静电
纺丝形成，所述微米滤芯材料基底通过小分子气氛熏蒸，化学接枝疏水材料。
优选的，所述疏水性材料是聚苯乙烯PS、聚氨酯PU、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、或
聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)。
优选的，所述微米滤芯材料基底由直径10-30μm的纤维构成的纸质纤维材料，厚度
范围是200-1000μm。
优选的，所述纳米疏水性纤维无纺薄膜是由直径100-500nm的聚合物纤维构成，厚
度范围是5-100μm。
优选的，所述化学接枝疏水材料是氟硅烷。
一种纳米纤维涂层超疏水自清洁空气过滤器滤芯的制造方法，其特征在于，
首先，将制造好的疏水性材料灌入材料罐，通过静电纺丝喷头，在微米滤芯材料基
底上，电纺制造纳米疏水性纤维无纺薄膜；
接着，通过小分子气氛熏蒸，在微米滤芯材料基底上化学接枝疏水材料，实现微米
基底材料的疏水化处理。
可选的，在微米滤芯材料基底上化学接枝疏水材料的过程，与电纺制造纳米疏水
性纤维无纺薄膜的过程同时进行。
优选的，所述疏水性材料是5-20％(质量百分比)聚苯乙烯PS或聚氨酯PU。
优选的，所述静电纺丝过程中的静电电压范围是5k-20k伏。
本发明利用“纳米疏水纤维覆膜”与“滤芯材料表面小分子接枝疏水处理”两种工
艺联合制造强化的疏水自清洁滤芯，其中，表面纳米纤维透气疏水覆层，提供超疏水的表层
微纳结构表面；滤芯材料表面小分子接枝透气疏水处理，为表面微纳涂层提供基底支持的
同时提供强化的疏水性质保证。这一双层材料设计在提供微纳米结构的超疏水低粘附表面
的同时，更保证其下层基底纸纤维材料的疏水性，从而实现在纸质纤维材料的基底上实现
具有实用强度与耐用性的超疏水表面性能，同时保证其良好的透气性。这一技术在空气滤
化器中应用可实现空气净化设备滤芯高效自清洁及重复利用，对于降低家用或专业空气净
化器实用成本方面具有巨大的经济价值与环保价值。
附图说明
图1是本发明实施例中通过静电纺丝技术制造超疏水自清洁空气净化器滤芯的制
造示意图。
图2是本发明实施例中所制造的纳米聚合物纤维扫描电镜照片、微米聚合物纤维
扫描电镜照片以及疏水聚合物纳米纤维涂层自清洁滤芯结构示意图。
图3是本发明实施例中的疏水处理的纳米纤维涂层与疏水处理的微米纤维过滤材
料表面浸润性对比图。
图4是本发明实施例中的疏水聚合物纳米纤维涂层的动态浸润性后退角测试扫描
电镜照片。
图5是本发明实施例中的超疏水自清洁空气净化器滤芯在积尘后，通过简单清水
冲洗实现滤芯材料积尘清洁与空气净化除尘效率恢复的可逆性实验得到的效果折线图(10
次循环)，图中，横坐标为循环次数，纵坐标为压差，单位：帕斯卡。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述的纳米纤维涂层超疏水自清洁空气过滤器滤
芯及制造方法做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
本发明利用超疏水低粘附表面，模仿自然界荷叶自清洁的原理，利用水流清洁超
疏水表面附着的灰尘等微粒等固体颗粒污染物。本发明通过多级设计构建“纳米疏水纤维
覆膜”与“滤芯材料表面小分子接枝疏水处理”两种工艺联合制造强化的疏水自清洁滤芯，
首先，利用静电纺丝制造纳米级(100-500nm)的疏水聚合物纤维涂层，构建纳米纤维结构层
的超疏水表面；接着，利用气体熏蒸小分子接枝氟硅烷，在实现微米滤芯纤维材料层的疏水
修饰的同时，保证其多孔结构与透气性。
图1是本发明实施例中通过静电纺丝技术制造超疏水自清洁空气净化器滤芯的制
造示意图。如图1中所示，静电纺丝(Electro-spinning)技术是通过将聚合物溶液或熔体置
于高压静电场中，带电的聚合物液滴在电场库仑力的作用下被拉伸，快速制造纳米至微米
级纤维的高效方法，其具有快速大面积制造纳米结构、材料适用性强等特点。微/纳复合粗
糙结构是实现固体表面超疏水、低粘附性质的关键，纳米结构提供大的比表面积，微米结构
用来提供表面机械强度与更大的纳米结构起伏粗糙度。本发明通过静电纺丝在微米滤芯纤
维基底上构建纳米结构，从而实现原微米纤维基底滤芯、滤纸材料无法通过化学修饰实现
的超疏水、低粘附性质。
纳米纤维涂层超疏水自清洁空气过滤器滤芯
图2是本发明实施例中所制造的纳米聚合物纤维扫描电镜照片、微米聚合物纤维
扫描电镜照片以及疏水聚合物纳米纤维涂层自清洁滤芯结构示意图。如图2中的第三幅图
所示，本发明所披露的纳米纤维涂层超疏水自清洁空气过滤器滤芯具有两层结构，包括微
米滤芯材料基底和纳米疏水性纤维无纺薄膜。
所述纳米疏水性纤维无纺薄膜由疏水性材料通过静电纺丝形成，可以是，例如，所
述疏水性材料是聚苯乙烯PS，聚氨酯PU，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、或聚乙烯基吡咯烷酮
(PVP)等。
所述微米滤芯材料基底由直径10-30μm的纤维构成的纸质纤维材料，优选直径20μ
m。
所述微米滤芯材料基底的厚度范围可以是，例如，200-1000μm，优选厚度300μm。
所述疏水性纤维无纺薄膜是由直径100-500nm的聚合物纤维构成，优选直径为
100nm。
所述疏水性纤维无纺薄膜的厚度范围可以是，例如，5-100μm，优选厚度10μm。
所述微米滤芯材料基底通过小分子气氛熏蒸，在微米滤芯材料基底上化学接枝疏
水材料，优选氟硅烷。
本发明通过在滤芯材料的微米结构上构建疏水的纳米结构制造微/纳复合的粗糙
表面和通过气氛熏蒸小分子接枝增强微米基底的疏水性这两种工艺协同作用构建超疏水、
低粘附的空气滤芯材料表面，进而实现滤芯的疏水自清洁性。
纳米纤维涂层超疏水自清洁空气过滤器滤芯的制造方法
首先，如图1中所示，将制造好的疏水性材料灌入材料罐，通过静电纺丝喷头，在微
米滤芯材料基底上，电纺制造纳米疏水性纤维无纺薄膜，所述疏水性纤维无纺薄膜构成具
有粗糙度的疏水表面。上述疏水性材料可以是，例如，5-20％(质量百分比)聚苯乙烯PS或聚
氨酯PU等。上述静电纺丝过程中的静电电压范围可以是，例如，5k-20k伏。图2是本发明实施
例中所制造的纳米聚合物纤维扫描电镜照片、微米聚合物纤维扫描电镜照片以及疏水聚合
物纳米纤维涂层自清洁滤芯材料结构示意图。如图2中所示，所述疏水性纤维无纺薄膜是由
直径100-500nm的聚合物纤维构成，优选直径为100nm。所述疏水性纤维无纺薄膜的厚度范
围可以是，例如，5-100μm，优选厚度10μm。所述微米滤芯材料基底由直径10-30μm的纤维构
成的纸质纤维材料，优选直径20μm。所述微米滤芯材料基底的厚度范围可以是，例如，200-
1000μm，优选厚度300μm。
接着，通过小分子气氛熏蒸，在微米滤芯材料基底上化学接枝疏水材料，优选氟硅
烷，实现微米基底材料的疏水化处理，强化微米结构的疏水性。
当然，本领域技术人员可以想到，上述在微米滤芯材料基底上化学接枝疏水材料
的过程，可与电纺制造纳米疏水性纤维无纺薄膜的过程同时进行。
纳米纤维涂层超疏水自清洁空气过滤器滤芯性能测试
测试一
将应用本发明所披露的纳米纤维涂层超疏水自清洁空气滤芯空气净化器置于高
扬尘环境的面粉、水泥生产厂区。两小时后，过滤器压力差升高79.7％，积尘量达到2.46kg/
m2。将滤芯取出，用清水缓缓冲洗20-40秒时间，滤芯99％的积尘被除去，滤芯保持干燥可即
时安装回空气净化器，净化器内外压差恢复到初始42帕斯卡左右。图5是本发明实施例中的
超疏水自清洁空气净化器滤芯在积尘后，通过简单清水冲洗实现滤芯材料积尘清洁与空气
净化除尘效率恢复的可逆性实验得到的效果折线图(10次循环)。如图5中所示，经过“积尘-
冲洗”反复使用10个回合后，滤芯进化积尘效率任然保持初始效率的75％，净化器初始内外
压差仅上升25％(50帕斯卡)。
测试二
将应用本发明所披露的纳米纤维涂层超疏水自清洁空气滤芯空气净化器置于普
通生活环境，例如，北京市区办公楼。在PM2.5大于300的雾霾天气中，连续运行72小时后，过
滤器压力差升高4.1％，积尘量达到0.13kg/m2。将滤芯取出，用清水缓缓冲洗20-40秒时间，
滤芯99％的积尘被除去，滤芯保持干燥可即时安装回空气净化器，净化器内外压差恢复到
初始42帕斯卡左右。经过“积尘-冲洗”反复使用5个回合后，滤芯进化积尘效率任然保持初
始效率的95％，净化器初始内外压差仅上升5％(45帕斯卡)。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施
方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精
神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。