具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料，属于防护用品技术领域。该复合材料由外至内由第一过滤层、第一气敏变色警报层、第二过滤层及第二气敏变色警报层组成，第一过滤层为基布、MXene及PDDA的复合材料，第二过滤层为气凝胶状MXene，第一气敏变色警报层与第二气敏变色警报层由上至下由环氧树脂薄膜、气敏变色膜和白色织物组成，气敏变色膜为PVA‑co‑PE纳米纤维、气敏染剂与MXene制得。该复合材料基于气致变色材料独特的颜色变化实现有毒气体警报功能，基于MXene特殊的二维层状结构、丰富的表面官能团与优异的催化性能，实现矿井粉尘过滤、有毒气体吸附分解功能，可被广泛应用于防护材料领域尤其是防毒面罩领域，保障矿井工作人员生命安全。

MXene Matrix Composite Material with Mine Dust and Poison Gas Alarm and Filtration Function and Its Preparation Method

The invention discloses an MXene matrix composite material with mine dust and toxic gas alarm and filtering function, which belongs to the technical field of protective articles. The composite material consists of the first filter layer, the first gas-sensitive chromotropic alarm layer, the second filter layer and the second gas-sensitive chromotropic alarm layer. The first filter layer is a composite material of substrate, MXene and PDDA, the second filter layer is an aerogel-like MXene, and the first gas-sensitive chromotropic alarm layer and the second gas-sensitive chromotropic alarm layer are composed of epoxy resin film, gas-sensitive chromotropic film and white weave from top to bottom. The gas-sensitive chromotropic film is made of PVA Co PE nanofibers, gas-sensitive dyes and MXene. The composite material realizes the toxic gas alarm function based on the unique color change of gas-chromogenic material. Based on MXene's special two-dimensional layered structure, abundant surface functional groups and excellent catalytic performance, it realizes the functions of dust filtering and toxic gas adsorption and decomposition. It can be widely used in the field of protective materials, especially in the field of anti-toxic masks, to ensure the safety of mine workers. All.

【技术实现步骤摘要】
具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及具备警报及过滤功能的材料，属于防护用品
，具体地涉及一种具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料及其制备方法。
技术介绍
煤矿行业属于高危行业，国内每年因煤矿事故死亡的人数数以万计，导致煤矿事故最直接的原因是瓦斯灾害，包括瓦斯爆炸、瓦斯突出和瓦斯燃烧，其主要成分是烷烃，其中以甲烷CH4为主，还有少量的乙烷、丙烷和丁烷，以及其他有害气体如H2S、CO、NO2、SO2等。因此为避免煤矿事故的发生，井下气体的检测十分重要。按规定井下H2S不得超过6.6ppm、CO浓度不得超过24ppm，NO2浓度不得超过250ppm，SO2浓度不得超过500ppm、CH4不得超过10000ppm。除去因瓦斯灾害引起的矿难事故，矿井开采作业中还会产生大量粒径小于75μm的二氧化硅粉尘，长期吸入会导致肺部结节性纤维化，形成矽肺，严重时造成患者呼吸衰竭死亡。矽肺是目前危害煤矿工作者健康最严重的疾病之一，无法根治，除了控制尘源、只能通过加强劳动者个体防护等预防手段，减少伤害。常用矿井有毒气体监测传感器均含外部电路系统，漏电风险较大，易导致矿难事故。MXene是一种新型二维层状过渡金属碳化物或氮化物，其通式为Mn+1XnTx(n＝1，2，3)，M为过度金属，如Ti，Nb，Mo，Vb，V，Ta，Zr，Cr，等，X为C或N，T为-OH，-F，-O官能团。该材料成膜性能良好，比表面积大，孔隙率高，亲水性好，且具有显著的热稳定性、化学稳定性。现有技术已报道将MXene材料经相对应改性后应用于电化学储能、电化学器件等领域。还有报道将其应用到气体分离领域，如中国专利技术专利申请(申请公布号：CN107441892，申请公布日：2017-12-8)公开了一种MXene膜在气体分离中的应用。该方法具体介绍了将MXene膜应用于气相色谱仪器中实现对H2/CO2，H2/N2，H2/CH4，H2/C3H6，H2/C3H8的选择性分离。还有研究发现将其作为吸附剂吸附分解气体，如中国专利技术专利申请(申请公布号：CN105582806，申请公布日：2016-5-18)公开了一种二维晶体化合物Ti2C作为吸附剂在吸附分解低浓度瓦斯中甲烷的应用，具体的利用Ti2C具有类似石墨烯的二维层状结构，这种结构具有高比表面积和光催化性能，可以吸附低浓度瓦斯中甲烷分子，并且在甲烷压强下降时，吸附的甲烷分子饿不会重新进入环境中。然而但方法仅适用于低浓度瓦斯气体，且需要在较高的流速下定向向膜吹起检测器性能，并不适宜实际矿井防护。综上，目前尚未有关于将MXene材料制成防护用品应用于矿井中作为监测有毒气体的报道。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料及其制备方法，由该复合材料制备的衣物或口罩在对粒径大于70μm的矿尘有效阻隔的基础上，对矿井有毒气体产生明显的颜色变化以达到预警的目的。为实现上述目的，本专利技术公开了一种具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料，由外向内它由第一过滤层、第一气敏变色警报层、第二过滤层及第二气敏变色警报层组成，所述第一过滤层为基布、MXene及PDDA的复合材料，所述第二过滤层为气凝胶状MXene，所述第一气敏变色警报层与第二气敏变色警报层由上至下由环氧树脂薄膜、气敏变色膜和白色织物组成，所述气敏变色膜为PVA-co-PE纳米纤维、气敏染剂与MXene制得。进一步地，所述第一过滤层的厚度为1～4cm，第一过滤层的孔径为45～70μm，所述第二过滤层的厚度为5～10cm。优选的，组成第一过滤层的基布为纳米纤维膜或无纺布。最优的，所述纳米纤维膜为PVA-co-PE纳米纤维膜。最优的，所述无纺布包括PP无纺布、PE无纺布或PET无纺布。进一步地，所述第一气敏变色警报层中的白色织物为有机织物或针织物，所述第二气敏变色警报层中的白色织物为有机织物或针织物中的一种与MXene的复合材料。优选的，所述有机织物包括棉布、亚麻布、黏胶布、丝毛布中的一种。优选的，所述针织物包括氨纶针织物或羊毛针织物。进一步地，所述第一气敏变色警报层的厚度为2～5cm，所述第二气敏变色警报层的厚度为3～10cm。进一步地，所述MXene为Ti3C2Tx，Ti3CNTx，Nbn+1CnTx，Scn+1CnTx，Mon+1CnTx，Vbn+1CnTx，Vn+1CnTx，Crn+1CnTx，Zrn+1CnTx或Tan+1CnTx中的至少一种形成的二维层状材料，各材料分子式中的官能团T为羟基、氟离子或氧离子活性官能团；n为大于零的整数。具体的，MXene材料的分子通式为Mn+1XnTx(n＝1，2，3)，M为过渡金属，如Ti，Nb，Mo，Vb，V，Ta，Zr，Cr，Sc，等，X为C或N，T为羟基、氟离子或氧离子活性官能团。具体的，MXene材料的具体制备过程如下：采用LiF与盐酸的混合液蚀刻前驱体材料MAX，控制反应温度为30～60℃，反应时间为12～60h，待反应充分完成后离心洗4～8次至中性，即可得到二维层状MXene材料。其中，前驱体材料MAX的通式为Mn+1AXn，其中A为Ⅲ或Ⅳ族元素。优选的，盐酸的质量浓度为32％。优选的，LiF与盐酸的质量比为(2～8):(8～2)。为了更好的实现本专利技术目的，本专利技术还公开了上述具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料的制备方法，它包括由外向内分别将第一过滤层、第一气敏变色警报层、第二过滤层及第二气敏变色警报层组合成一体，且由外向内各层的表面积梯度增加。进一步地，所述第一过滤层的制备过程如下：取基布清洗后取出，置于电正性PDDA溶液中活化处理后，再置于MXene溶液中浸泡处理，取出、烘干，即得到厚度为1～4cm的第一过滤层。优选的，取基布经Plasma处理。优选的，取基布在N2与H2的载气下，经Plasma处理10～60min。优选的，电正性PDDA溶液浓度为0.1～5mg/mL。优选的，电正性PDDA溶液为PDDA的脱氧去离子水溶液。优选的，取基布清洗后取出，置于浓度为0.1～5mg/mL的电正性PDDA溶液中处理1～12h。优选的，MXene溶液为MXene的水溶液或醇溶液或水醇混合液。优选的，MXene溶液浓度为5～50mg/mL。优选的，在浓度为5～50mg/mL的MXene溶液中处理6～48h。优选的，烘干条件为40～60℃的真空烘。最优的，第一过滤层中MXene含量为2mg/cm2～10mg/cm2。进一步地，所述第二过滤层的制备过程如下：取MXene溶液与PVA-co-PE纳米纤维溶液经乳化剪切后进行冷冻干燥制得第二过滤层。优选的，MXene溶液为MXene的水溶液或醇溶液或水醇混合液。优选的，MXene溶液浓度为5～50mg/mL。优选的，PVA-co-PE纳米纤维溶液为其醇溶液。优选的，PVA-co-PE纳米纤维溶液浓度为0.5～10g/mL。优选的，冷冻干燥为在超临界流体干燥器中进行。优选的，冷冻干燥条件为：零下100℃～零下5℃，真空度为50～100Pa，冷冻干燥12～120h。进一步地，所述第一气敏变色警报层的制备过程如下：取PVA-co-PE纳米纤维本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料，由外向内它由第一过滤层、第一气敏变色警报层、第二过滤层及第二气敏变色警报层组成，所述第一过滤层为基布、MXene及PDDA的复合材料，所述第二过滤层为气凝胶状MXene，所述第一气敏变色警报层与第二气敏变色警报层由上至下由环氧树脂薄膜、气敏变色膜和白色织物组成，所述气敏变色膜为PVA‑co‑PE纳米纤维、气敏染剂与MXene制得。

【技术特征摘要】
1.一种具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料，由外向内它由第一过滤层、第一气敏变色警报层、第二过滤层及第二气敏变色警报层组成，所述第一过滤层为基布、MXene及PDDA的复合材料，所述第二过滤层为气凝胶状MXene，所述第一气敏变色警报层与第二气敏变色警报层由上至下由环氧树脂薄膜、气敏变色膜和白色织物组成，所述气敏变色膜为PVA-co-PE纳米纤维、气敏染剂与MXene制得。2.根据权利要求1所述具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料，其特征在于：所述第一过滤层的厚度为1～4cm，第一过滤层的孔径为45～70μm，所述第二过滤层的厚度为5～10cm。3.根据权利要求1所述具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料，其特征在于：所述第一气敏变色警报层中的白色织物为有机织物或针织物，所述第二气敏变色警报层中的白色织物为有机织物或针织物中的一种与MXene的复合材料。4.根据权利要求3所述具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料，其特征在于：所述第一气敏变色警报层的厚度为2～5cm，所述第二气敏变色警报层的厚度为3～10cm。5.根据权利要求1或2或3或4所述具备矿井尘毒气体警报及过滤功能的MXene基复合材料，其特征在于：所述MXene为Ti3C2Tx，Ti3CNTx，Nbn+1CnTx，Scn+1CnTx，Mon+1CnTx，Vbn+1CnTx，Vn+1CnTx，Crn+1CnTx，Zrn+1CnTx或Tan+1CnTx中的至少一种形成的二维层状材料，各材料组成分子式中的官能团T为羟基、氟离子或氧离子活性...

【专利技术属性】
技术研发人员：代立润，张金敏，彭军，王栋，卿星，
申请(专利权)人：武汉市银莱制衣有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42