一种碳纤维汽车空调过滤器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳纤维汽车空调过滤器，包括过滤盒，所述过滤盒具有进气口和出气口，所述过滤盒内部设有若干个插槽，每个插槽内插有过滤框，其特制是：所述过滤框内两侧分别设有磁吸条，所述两侧的磁吸条之间设有过滤芯材，所述过滤芯材包括两侧表面有机纤维长丝与活性碳纤维长丝混合仿制的无纺布层和中间活性碳纤维毡过滤吸附层，其中所述混合仿制的无纺布层的面密度为30～200g/m2，所述活性碳纤维毡过滤吸附层的面密度为60～400g/m2。本发明具有对雾霾有害物质的针对性吸附过滤能力，配合拔插式结构可灵活更换滤芯，并且可以根据雾霾天气任意调整净化级别，有效改善不同气候环境下的车内空气质量。
【专利说明】
一种碳纤维汽车空调过滤器
技术领域
[0001]本发明涉及汽车空调部件技术领域，具体涉及一种碳纤维汽车空调过滤器。
【背景技术】
[0002]汽车空调过滤器是一种安装在汽车空调鼓风机单元内的空气净化装置，用于过滤进入汽车内的空气并排出异味，其外型以矩形居多，并与不同车型的空调进气部位相适应。
[0003]在汽车上使用空调过滤器从二十世纪六十年代末便开始出现，当初使用的过滤材料是用于建筑物空调的过滤垫而且仅仅安装在一些豪华车型上，主要用作粗效过滤，用以去除粗大的灰尘粒子以保持车厢内的清洁，但是过滤效果较差。而当今世界工业化发展速度已达到飞速水平，直接导致了近几年愈发严重的雾霾天气出现，空气质量受到各种腐蚀性液滴与有害颗粒物的影响，作为主要的交通运输工具的汽车来说，其车内空气质量环境的保证刻不容缓。
[0004]目前应用的汽车空调过滤器芯材，基本上分为单层过滤的纸质材料、非织造布复合过滤材料以及配有活性粉末的功能化处理的复合过滤材料三种。而面对雾霾空气中的多种复杂类型的液滴和微小颗粒物，这些常规的过滤材质显得力不从心。活性碳纤维织造材料及长丝织物是一种具有广泛微孔结构的高吸附性碳素纤维材料，利用活性碳纤维制备各种吸附产品成为保证空气环境的主流，也是治理雾霾危害的可行性措施。中国专利201320032136.1公开了一种空气过滤无纺碳纤维布，但是采用它作为空调过滤器的过滤芯材，其过滤性能并不理想。目前并没有通过选择合适的面密度以及纤维比例使得活性碳纤维与其他材料相配伍组装成一种防雾霾效果好同时力学性能较好的汽车过滤空调器。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供一种碳纤维汽车空调过滤器。
[0006]本发明采用以下技术方案:
[0007]—种碳纤维汽车空调过滤器，包括过滤盒，所述过滤盒具有进气口和出气口，所述过滤盒内部设有若干个插槽，每个插槽内插有过滤框，所述过滤框内两侧分别设有磁吸条，所述两侧的磁吸条之间设有过滤芯材，所述过滤芯材包括两侧表面有机纤维长丝与活性碳纤维长丝混合仿制的无纺布层和中间活性碳纤维毡过滤吸附层，其中所述混合仿制的无纺布层的面密度为30?200g/m2，所述活性碳纤维毡过滤吸附层的面密度为60?400g/m2。
[0008]优选的，所述过滤芯材两侧表面采用有机纤维与活性碳纤维长丝混合纺制的无纺布层，其中活性碳纤维长丝的比表面积在500-1500m2/g可调，平均孔径在1.0-4.0nm可调；所用的有机纤维长丝可选用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯等热塑性纤维中的任意一种，活性碳纤维长丝与有机纤维长丝的混纺体积比例在1:1-1:5灵活调整;所述混合仿制的无纺布层的面密度优选30?100g/m2。
[0009]优选的，所述过滤芯材中间活性碳纤维毡过滤吸附层采用活性短切碳纤维毡制备，其中活性碳纤维毡吸附层的厚度在l_5mm灵活调整，面密度优选在60-250g/mH周整，吸附能力根据比表面积评价，其数值在1000-2000m2/g可调。
[0010]优选的，所述过滤芯材采用对称叠合结构，以中间的活性碳纤维毡过滤吸附层为中心，两侧由内到外对称布置有机纤维与活性碳纤维长丝混合纺制的无纺布层，二者的数量根据使用要求灵活调整。
[0011]优选的，所述过滤芯材采用热压合方式制备得到，热熔温度控制在80-260°C灵活调节，压合压力在0.1-1MPa灵活调节。适宜的温度和压力能够使有机纤维与活性碳纤维长丝混合纺制的无纺布层熔融粘合，将无纺布层和活性碳纤维毡吸附层形成整体。
[0012]对于空气中不同颗粒的过滤，其机理是不同的。而本发明对于空气中的大颗粒和小颗粒的过滤效果都是显著的。较大直径的颗粒过滤主要是通过拦截、惯性机理作用，扩散机理作用不明显，呈现随着过滤速度增大过滤效果提高的规律;而较小的颗粒的过滤通过拦截、惯性、扩散机理综合效应作用下，较小直径的颗粒呈现随着过滤速度增大过滤效果先是下降然后缓慢上升的趋势。其中所述拦截效应:空气过滤器过滤芯材中的纤维错综复杂，当某一尺寸的微粒沿着流线刚好运动到纤维附近时，假设从流线(也是微粒的中心线)到纤维表面的距离等于或小于微粒半径，微粒就在纤维表面被拦截而沉积下来，这种作用称为拦截效应。所述惯性效应:由于纤维排列复杂，所以气流在纤维层穿过时，其流线要屡经激烈的拐弯；当微粒质量较大或者速度(可以看成气流的速度)较大，流线发生转弯时，微粒由于惯性来不及跟随流线同时绕过纤维，因而脱离流线向纤维靠近，并碰撞在纤维上而沉积下来，这种作用称为惯性效应。所述扩散效应为:由于气体分子热运动对微粒的碰撞，从而产生微粒的布朗运动，在布朗运动的同时粒子接触并沉积在纤维表面上。
[0013]本发明的有益效果是:
[0014](I)本发明的过滤芯材的两侧表面是根据现有技术中汽车空调过滤器芯材的缺点而特定选择的，是发明人通过大量实验验证和分析得到的。本发明的过滤芯材两侧表面为有机纤维与活性碳纤维长丝混合纺制的无纺布层，其中有机纤维(聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚氨酯纤维)具有良好的耐化学药品性、耐腐蚀性、耐磨、强度高;活性碳纤维长丝微孔孔径小而均匀，结构简单，吸附物质的速率快。将两者结合作为过滤芯材的表面层，使得混合仿制的无纺布层力学性能较好、纤维均匀性好，提高过滤器的效率。本发明的过滤芯材的两侧表面混合仿制的无纺布层的纤维比例和面密度是根据两种纤维种类而创造性选择的，本发明通过恰当的选择纤维比例和面密度，使得该过滤芯材的过滤效果十分优异，既保证了较高的过滤速度和对有害物质的过滤效率，还能保证具有良好的力学性能。经过大量实验验证可得，选择一定厚度和面密度的中间活性碳纤维毡过滤吸附层时，当活性碳纤维长丝与有机纤维长丝的混纺体积比例小于0.2、面密度小于30g/m2时，虽然过滤速度较高，但是该过滤器的过滤效率明显较低；虽然有机纤维长丝所占比例较大，但是面密度较小使得该混纺的无纺布层综合力学性能一般，故总体过滤器的性能较低。当活性碳纤维长丝与有机纤维长丝的混纺体积比例达到I时、面密度达到200g/m2时，随着混纺体积比例和面密度的增大，其过滤效率与上述的过滤效率基本一致，虽然力学性能更加优异，但是过滤速度却降低，成本增大。本发明对过滤芯材两侧为混合无妨布层的整体设计都是基于对过滤器兼具较好的过滤效率、过滤速度以及力学性能而特意筛选的。
[0015](2)本发明的过滤芯材的中间层-活性碳纤维毡过滤吸附层的面密度是根据过滤器的性能而特定选择的，本发明通过恰当地选择该层的面密度，能够使得过滤器的效果更加优异。当过滤芯材的两侧表面一定时，采用优化后的60?400g/m2(特别是60?250g/m2)的面密度的活性碳纤维毡过滤吸附层具有捕集效率高、空气阻力高的性能特点，过滤芯材对空气中的微粒的扩散机理明显，可以高效除去对人体健康威胁更大的小颗粒;另外，在相同送风量下其过滤速度也较高，不会影响过滤器的工作效率。
[0016](3)本发明的插槽与过滤框采用拔插式结构，所述的拔插结构可在进气口和出气口之间的空气通道内设置多级插槽，以备装配不同过滤级别的带有过滤芯材的框架。过滤芯材通过磁吸条固定在过滤框上，此结构可灵活更换过滤芯材，并且可以根据雾霾天气任一调整净化级别，有效改善不同气候环境下车内的空气质量。
【附图说明】
[0017]图1是本发明过滤芯材的结构示意图，该过滤芯材具有叠合结构，它是由两侧表面有机纤维与活性碳纤维长丝混合仿制的无纺布层I和中间活性碳纤维毡过滤吸附层2两部分组成。
[0018]图2是汽车空调过滤器的拔插式结构示意图，包括进气口3、出气口4、过滤盒5、插槽6、过滤框7五部分组成，其中插槽6与过滤框7采用拔插式结构，过滤芯材9通过磁吸条8固定在过滤框7上。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
[0020]如图1所示，一种便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器，包括过滤盒5，所述过滤盒5具有进气口 3和出气口 4，所述过滤盒5内部设有五个插槽6，每个插槽6内插有过滤框7，所述过滤框7内两侧分别设有磁吸条8，所述两侧的磁吸条8之间设有过滤芯材9，所述过滤芯材9包括两侧表面有机纤维与活性碳纤维长丝混合仿制的无纺布层I和中间活性碳纤维毡过滤吸附层2。
[0021]所述便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器的制备，首先制备叠合结构的碳纤维过滤芯材，采用“混合纤维无纺布层(I层)/活性碳纤维毡吸附层(I层)/混合纤维无纺布层(I层)”的对称叠合结构，其中混合纤维无纺布层，选用聚乙烯作为混纺织物中的热塑性纤维，选用活性碳纤维长丝作为混纺织物中的过滤纤维，活性碳纤维长丝比表面积为800m2/g，平均孔径为2nm，活性碳纤维长丝与有机纤维长丝的混纺比例为1:1;混合仿制的无纺布层的面密度为30g/m2，每层厚度为0.5_。活性碳纤维毡吸附层采用活性短切碳纤维毡制备，其中活性碳纤维毡吸附层的厚度为lmm(面密度:70g/m2)，吸附能力以比表面积判定，比表面积为I OOOmVg。热压合的热熔温度为180 °C，压合压力在0.9MPa，通过混合纤维无纺布的熔融粘合，将无纺布层和活性碳纤维毡吸附层形成整体。将该碳纤维过滤芯材以磁吸条固定在过滤框架上，之后将过滤框插入插槽内最终组成汽车空调过滤器。
[0022]试验测试:试验在一台室外停放的轿车上完成，轿车的空调系统的风口安装本发明的空调过滤器，总风量设置为120m3/h时，测得数据为:PM2.5为0.48yg/m3，二氧化硫为35.34yg/m3，氮氧化物23.65yg/m3，一氧化碳 0.98mg/m3，臭氧 126.37yg/m3。
[0023]测得力学性能为:横向拉伸强度为25N/3cm，纵向拉伸强度为28N/3cm。测得过滤速度为 0.28m/s。
[0024]室外测试数据为:PM2.5为302.8yg/m3，二氧化硫为625.38yg/m3，氮氧化463.25yg/m3，一氧化碳44.35mg/m3，臭氧635.23yg/m3。
[0025]实施例2
[0026]如图1所示，一种便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器，包括过滤盒5，所述过滤盒5具有进气口 3和出气口 4，所述过滤盒5内部设有五个插槽6，每个插槽6内插有过滤框7，所述过滤框7内两侧分别设有磁吸条8，所述两侧的磁吸条8之间设有过滤芯材9，所述过滤芯材9包括两侧表面有机纤维与活性碳纤维长丝混合仿制的无纺布层I和中间活性碳纤维毡过滤吸附层2。
[0027]所述便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器的制备，首先制备叠合结构的碳纤维过滤芯材，采用“有机纤维无纺布层(2层)/活性碳纤维毡吸附层(I层)/有机纤维无纺布层(2层)”的对称叠合结构，其中混合纤维无纺布层，选用聚丙烯作为混纺织物中的热塑性纤维，选用活性碳纤维长丝作为混纺织物中的过滤纤维，活性碳纤维长丝比表面积为500m2/g，平均孔径为3nm，活性碳纤维长丝与有机纤维长丝的混纺比例为1:2;混合仿制的无纺布层的面密度为50g/m2，每层厚度为0.5_。活性碳纤维毡吸附层采用活性短切碳纤维毡制备，其中活性碳纤维毡吸附层的厚度为2_(面密度:150g/m2)，吸附能力以比表面积判定，比表面积为1200m2/g。热压合的热熔温度为230°C，压合压力在0.9MPa。通过有机纤维无纺布的熔融粘合，将无纺布层和活性碳纤维毡吸附层形成整体。将该碳纤维过滤芯材以磁吸条固定在过滤框架上，之后将过滤框插入插槽内最终组成汽车空调过滤器。
[0028]试验测试:与实施例1的测试条件相同，测得数据为:PM2.5为0.35yg/m3，二氧化硫为30.25yg/m3，氮氧化物20.05yg/m3，一氧化碳 0.87mg/m3，臭氧 120.35yg/m3。
[0029]测得力学性能为:横向拉伸强度为52N/3cm，纵向拉伸强度为58N/3cm。测得过滤速度为 0.24m/s。
[0030]实施例3
[0031]如图1所示，一种便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器，包括过滤盒5，所述过滤盒5具有进气口 3和出气口 4，所述过滤盒5内部设有五个插槽6，每个插槽6内插有过滤框7，所述过滤框7内两侧分别设有磁吸条8，所述两侧的磁吸条8之间设有过滤芯材9，所述过滤芯材9包括两侧表面有机纤维与活性碳纤维长丝混合仿制的无纺布层I和中间活性碳纤维毡过滤吸附层2。
[0032]所述便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器的制备，首先制备叠合结构的碳纤维过滤芯材，采用“有机纤维无纺布层(3层)/活性碳纤维毡吸附层(I层)/有机纤维无纺布层(3层)”的对称叠合结构，其中混合纤维无纺布层，选用聚氨酯作为混纺织物中的热塑性纤维，选用活性碳纤维长丝作为混纺织物中的过滤纤维，活性碳纤维长丝比表面积为600m2/g，平均孔径为4.0nm，活性碳纤维长丝与有机纤维长丝的混纺比例为1:3;混合仿制的无纺布层的面密度为70g/m2，每层厚度为0.5mm。活性碳纤维毡吸附层采用活性短切碳纤维毡制备，其中活性碳纤维毡吸附层的厚度为3mm(面密度:200g/m2)，吸附能力以比表面积判定，比表面积为1400m2/g。热压合的热熔温度为180°C，压合压力在
0.9MPa。通过有机纤维无纺布的熔融粘合，将无纺布层和活性碳纤维毡吸附层形成整体。将该碳纤维过滤芯材以磁吸条固定在过滤框架上，之后将过滤框插入插槽内最终组成汽车空调过滤器。
[0033]试验测试:与实施例1的测试条件相同，测得数据为:PM2.5为0.20yg/m3，二氧化硫为28.67yg/m3，氮氧化物19.35.yg/m3，一氧化碳 0.64mg/m3，臭氧 108.30yg/m3。
[0034]测得力学性能为:横向拉伸强度为68N/3cm，纵向拉伸强度为75N/3cm。测得过滤速度为 0.20m/s。
[0035]实施例4
[0036]如图1所示，一种便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器，包括过滤盒5，所述过滤盒5具有进气口 3和出气口 4，所述过滤盒5内部设有五个插槽6，每个插槽6内插有过滤框7，所述过滤框7内两侧分别设有磁吸条8，所述两侧的磁吸条8之间设有过滤芯材9，所述过滤芯材9包括两侧表面有机纤维与活性碳纤维长丝混合仿制的无纺布层I和中间活性碳纤维毡过滤吸附层2。
[0037]所述便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器的制备，首先制备叠合结构的碳纤维过滤芯材，采用“有机纤维无纺布层(I层)/活性碳纤维毡吸附层(I层)/有机纤维无纺布层(I层)”的对称叠合结构，其中混合纤维无纺布层，用聚丙烯作为混纺织物中的热塑性纤维，选用活性碳纤维长丝作为混纺织物中的过滤纤维，活性碳纤维长丝比表面积为900m2/g，平均孔径为3.5nm，活性碳纤维长丝与有机纤维长丝的混纺比例为1:4;混合仿制的无纺布层的面密度为100g/m2，每层厚度为0.5mm。活性碳纤维毡吸附层采用活性短切碳纤维毡制备，其中活性碳纤维毡吸附层的厚度为4mm(面密度:250g/m2)，吸附能力以比表面积判定，比表面积为1900m2/g。热压合的热熔温度为210°C，压合压力在IMPa。通过有机纤维无纺布的熔融粘合，将无纺布层和活性碳纤维毡吸附层形成整体。将该碳纤维过滤芯材以磁吸条固定在过滤框架上，之后将过滤框插入插槽内最终组成汽车空调过滤器。
[0038]试验测试:与实施例1的测试条件相同，测得数据为:PM2.5为0.03yg/m3，二氧化硫为25.58yg/m3，氮氧化物18.32.yg/m3，一氧化碳 0.5311^/1113，臭氧103.45yg/m3。
[0039]测得力学性能为:横向拉伸强度为61N/3cm，纵向拉伸强度为64N/3cm。测得过滤速度为 0.17m/s0
[0040]实施例5
[0041]如图1所示，一种便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器，包括过滤盒5，所述过滤盒5具有进气口 3和出气口 4，所述过滤盒5内部设有五个插槽6，每个插槽6内插有过滤框7，所述过滤框7内两侧分别设有磁吸条8，所述两侧的磁吸条8之间设有过滤芯材9，所述过滤芯材9包括两侧表面有机纤维与活性碳纤维长丝混合仿制的无纺布层I和中间活性碳纤维毡过滤吸附层2。
[0042]所述便携可拆卸的带有多级碳纤维吸附层结构的汽车空调过滤器的制备，首先制备叠合结构的碳纤维过滤芯材，采用“有机纤维无纺布层(I层)/活性碳纤维毡吸附层(I层)/有机纤维无纺布层(I层)”的对称叠合结构，其中混合纤维无纺布层，用聚丙烯作为混纺织物中的热塑性纤维，选用活性碳纤维长丝作为混纺织物中的过滤纤维，活性碳纤维长丝比表面积为1500m2/g，平均孔径为4.0nm，活性碳纤维长丝与有机纤维长丝的混纺比例为1:4；混合仿制的无纺布层的面密度为200g/m2，每层厚度为0.5mm。活性碳纤维毡吸附层采用活性短切碳纤维毡制备，其中活性碳纤维毡吸附层的厚度为4mm(面密度:400g/m2)，吸附能力以比表面积判定，比表面积为2000m2/g。热压合的热熔温度为210°C，压合压力在IMPa。通过有机纤维无纺布的熔融粘合，将无纺布层和活性碳纤维毡吸附层形成整体。将该碳纤维过滤芯材以磁吸条固定在过滤框架上，之后将过滤框插入插槽内最终组成汽车空调过滤器。
[0043]试验测试:与实施例1的测试条件相同，测得数据为:PM2.5为Oyg/m3，二氧化硫为23.5 lyg/ m3，氮氧化物 17.20.yg/m3，一氧化碳 0.42mg/m3，臭氧98.42yg/ m3。
[0044]测得力学性能为:横向拉伸强度为62N/3cm，纵向拉伸强度为66N/3cm。测得过滤速度为 0.10m/s。
[0045]对比例1:与实施例1的区别在于:所述混合仿制的无纺布层的面密度为25g/m2，所述活性碳纤维毡吸附层的面密度为65g/m2。在相同测试条件下，测得数据为:PM2.5为31yg/m3，二氧化硫为58.44yg/m3，氮氧化物36.75yg/m3，一氧化碳I.78mg/m3，臭氧 156.58yg/m3。测得力学性能为:横向拉伸强度为23N/3cm，纵向拉伸强度为26N/3cm。测得过滤速度为0.28m/
So
[0046]对比例2:与实施例1的区别在于:过滤芯材的两侧表面只是由有机纤维制成的无纺布层。在相同测试条件下，测得数据为:PM2.5为35yg/m3，二氧化硫为60.98yg/m3，氮氧化物41.30yg/m3，一氧化碳1.92mg/m3，臭氧171.29yg/m3。测得力学性能为:横向拉伸强度为25N/3cm，纵向拉伸强度为28N/3cm。测得过滤速度为0.29m/s。
【主权项】
1.一种碳纤维汽车空调过滤器，包括过滤盒，所述过滤盒具有进气口和出气口，所述过滤盒内部设有若干个插槽，每个插槽内插有过滤框，其特征是:所述过滤框内两侧分别设有磁吸条，所述两侧的磁吸条之间设有过滤芯材，所述过滤芯材包括两侧表面有机纤维长丝与活性碳纤维长丝混合仿制的无纺布层和中间活性碳纤维毡过滤吸附层，其中所述混合仿制的无纺布层的面密度为30?200g/m2，所述活性碳纤维毡过滤吸附层的面密度为60?400g/m2。2.如权利要求1所述的碳纤维汽车空调过滤器，其特征是:所述活性碳纤维长丝的比表面积为 500-1500m2/g，。3.如权利要求1所述的碳纤维汽车空调过滤器，其特征是:所述活性碳纤维长丝的平均孔径为1.0-4.0nm04.如权利要求1所述的碳纤维汽车空调过滤器，其特征是:所述有机纤维长丝选用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯或其他热塑性纤维中的任意一种。5.如权利要求1所述的碳纤维汽车空调过滤器，其特征是:所述活性碳纤维长丝与有机纤维长丝的混纺体积比例为1:1-1: 5。6.如权利要求1所述的碳纤维汽车空调过滤器，其特征是:所述混合仿制的无纺布层的面密度为30?100g/m2。7.如权利要求1所述的碳纤维汽车空调过滤器，其特征是:所述活性碳纤维毡吸附层的厚度为l-5mm。8.如权利要求1所述的碳纤维汽车空调过滤器，其特征是:所述活性碳纤维毡过滤吸附层的面密度为60?250g/m2。9.如权利要求1所述的碳纤维汽车空调过滤器，其特征是:所述活性碳纤维毡过滤吸附层的比表面积为1000-2000m2/g。10.如权利要求1所述的碳纤维汽车空调过滤器，其特征是:所述过滤芯材采用热压合方式制备得到，热熔温度控制为80-260°C，压合压力为0.1-lMPa。
【文档编号】B01D46/00GK105854431SQ201610327213
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】朱波, 曹伟伟, 乔琨, 于丽媛, 王永伟
【申请人】山东大学